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Linux应用：线程进阶

news 来源：原创 2025/6/15 11:29:21

线程同步之信号量

信号量（Semaphore）是一个整型的计数器，用于控制对共享资源的访问。它通过 PV 操作来实现同步，P 操作将信号量的值减 1，如果值小于 0 则线程阻塞；V 操作将信号量的值加 1，如果有线程在等待则唤醒一个等待的线程。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <unistd.h>

sem_t sem;  // 定义信号量

void* thread_function(void* arg) {
    // P操作
    sem_wait(&sem);
    printf("子线程进入临界区\n");
    // 模拟临界区操作
    sleep(2);
    printf("子线程离开临界区\n");
    // V操作
    sem_post(&sem);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread;
    // 初始化信号量，初始值设为1
    sem_init(&sem, 0, 1);

    // 创建线程
    if (pthread_create(&thread, NULL, thread_function, NULL) != 0) {
        perror("线程创建失败");
        return 1;
    }

    // 主线程等待一段时间
    sleep(1);
    // P操作 作用是将信号量的值减 1  值大于0才能减
    sem_wait(&sem);
    printf("主线程进入临界区\n");
    // 模拟临界区操作
    sleep(2);
    printf("主线程离开临界区\n");
    // V操作 使信号量的值加 1
    sem_post(&sem);

    // 等待线程结束
    if (pthread_join(thread, NULL) != 0) {
        perror("线程等待失败");
        return 1;
    }

    // 销毁信号量
    sem_destroy(&sem);
    return 0;
}

sem_t属于信号量类型，sem是所定义的信号量变量。

sem_wait(&sem)：这是信号量的 P 操作，其作用是将信号量的值减 1。若信号量的值为 0，线程会被阻塞，直至信号量的值大于 0。
printf(“线程进入临界区\n”);：输出线程进入临界区的信息。
sleep(2);：模拟在临界区内进行的操作，这里让线程休眠 2 秒。
printf(“线程离开临界区\n”);：输出线程离开临界区的信息。
sem_post(&sem)：这是信号量的 V 操作，会使信号量的值加 1，同时唤醒可能处于阻塞状态的线程。

pthread_t thread;：定义一个线程标识符。
sem_init(&sem, 0, 1);：对信号量进行初始化，第二个参数为 0 表示该信号量仅在线程间共享，第三个参数 1 为信号量的初始值。
pthread_create(&thread, NULL, thread_function, NULL)：创建一个新线程，新线程会执行thread_function函数。
sleep(1);：主线程等待 1 秒，确保新线程有机会运行。
sem_wait(&sem);：主线程执行 P 操作，尝试进入临界区。
printf(“主线程进入临界区\n”);：输出主线程进入临界区的信息。
sleep(2);：模拟主线程在临界区内的操作。
printf(“主线程离开临界区\n”);：输出主线程离开临界区的信息。
sem_post(&sem);：主线程执行 V 操作，离开临界区。
pthread_join(thread, NULL);：主线程等待新线程结束。
sem_destroy(&sem);：销毁信号量，释放相关资源。

在这里插入图片描述
创建了一个新线程，利用信号量实现了主线程和新线程对临界区的互斥访问。信号量的初始值为 1，同一时刻仅允许一个线程进入临界区。通过 P 操作和 V 操作保证了线程安全，防止多个线程同时访问临界区从而引发数据竞争问题。

线程同步之互斥锁

互斥锁（Mutex）是一种特殊的二元信号量（初始值为 1），用于保证在同一时刻只有一个线程能够访问共享资源，也就是一次只有一个线程能够获得锁，其他线程必须等待锁被释放。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;  // 定义并初始化互斥锁

void* thread_function(void* arg) {
    // 加锁
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    printf("线程进入临界区\n");
    // 模拟临界区操作
    sleep(2);
    printf("线程离开临界区\n");
    // 解锁
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread;

    // 创建线程
    if (pthread_create(&thread, NULL, thread_function, NULL) != 0) {
        perror("线程创建失败");
        return 1;
    }

    // 主线程等待一段时间
    sleep(1);
    // 加锁
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    printf("主线程进入临界区\n");
    // 模拟临界区操作
    sleep(2);
    printf("主线程离开临界区\n");
    // 解锁
    pthread_mutex_unlock(&mutex);

    // 等待线程结束
    if (pthread_join(thread, NULL) != 0) {
        perror("线程等待失败");
        return 1;
    }

    return 0;
}

在这里插入图片描述
stdio.h：标准输入输出库，提供了像 printf 这样用于输出信息到控制台的函数。
pthread.h：多线程相关的库，包含了创建线程、管理线程和使用互斥锁等操作所需的函数和数据类型。
unistd.h：提供了 sleep 函数，用于让线程暂停执行一段时间。

pthread_mutex_t 是一种数据类型，用于表示互斥锁。
mutex 是定义的互斥锁变量。
PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 是一个宏，用于静态初始化互斥锁，将其设置为初始状态。

pthread_mutex_lock(&mutex)：调用该函数尝试获取互斥锁 mutex。如果互斥锁当前未被其他线程持有，调用线程会获取到锁并继续执行后续代码；如果互斥锁已经被其他线程持有，调用线程会被阻塞，直到锁被释放。
printf(“线程进入临界区\n”);：输出信息表明线程已经成功进入临界区。
sleep(2);：模拟线程在临界区内执行一些耗时操作，这里让线程暂停 2 秒。
printf(“线程离开临界区\n”);：输出信息表明线程即将离开临界区。
pthread_mutex_unlock(&mutex)：调用该函数释放互斥锁，使得其他等待该锁的线程有机会获取锁并进入临界区。

pthread_t thread;：定义一个 pthread_t 类型的变量 thread，用于存储新创建线程的标识符。
pthread_create(&thread, NULL, thread_function, NULL)：创建一个新线程，新线程将执行 thread_function 函数。如果线程创建失败，pthread_create 函数会返回非零值，此时程序会输出错误信息并终止。
sleep(1);：主线程暂停 1 秒，目的是让新创建的线程有机会先运行并尝试获取互斥锁。
pthread_mutex_lock(&mutex)：主线程尝试获取互斥锁。如果此时新线程已经持有锁，主线程会被阻塞。
printf(“主线程进入临界区\n”);：输出信息表明主线程已经成功进入临界区。
sleep(2);：模拟主线程在临界区内执行一些耗时操作，暂停 2 秒。
printf(“主线程离开临界区\n”);：输出信息表明主线程即将离开临界区。
pthread_mutex_unlock(&mutex)：主线程释放互斥锁。
pthread_join(thread, NULL)：主线程等待新创建的线程执行完毕。如果等待过程中出现错误，pthread_join 函数会返回非零值，程序会输出错误信息并终止。

通过创建一个新线程和主线程，利用互斥锁实现了对临界区的互斥访问。互斥锁保证了同一时间只有一个线程能够进入临界区执行操作，避免了多个线程同时访问共享资源可能导致的数据不一致问题。当一个线程进入临界区时，会先获取互斥锁，操作完成后释放锁，使得其他线程可以继续竞争进入临界区。

线程同步之条件变量

条件变量（Condition Variable）用于线程间的同步，它允许一个线程等待某个条件满足后再继续执行。通常与互斥锁一起使用，线程在获取互斥锁后检查条件是否满足，如果不满足则通过条件变量等待，并释放互斥锁；当另一个线程改变了条件后，通过条件变量唤醒等待的线程，等待的线程重新获取互斥锁后继续执行。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
int flag = 0;

void* thread_function(void* arg) {
    // 加锁
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while (flag == 0) {
        // 等待条件变量，同时释放互斥锁
        printf("线程得到锁\n");
        sleep(1);
        printf("线程释放锁 1 \n");
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
        printf("线程释放锁 2 \n");
    }
    printf("线程被唤醒，条件满足\n");
    // 解锁
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread;

    // 创建线程
    if (pthread_create(&thread, NULL, thread_function, NULL) != 0) {
        perror("线程创建失败");
        return 1;
    }

    // 主线程等待一段时间
    sleep(2);
    // 加锁
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    flag = 1;
    // 唤醒等待的线程
    printf("唤醒等待的线程 1\n");
    pthread_cond_signal(&cond);
    printf("唤醒等待的线程 2\n");
    // 解锁
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    printf("唤醒等待的线程 3\n");

    // 等待线程结束
    if (pthread_join(thread, NULL) != 0) {
        perror("线程等待失败");
        return 1;
    }

    return 0;
}

在这里插入图片描述
mutex：互斥锁，用于保护共享资源，PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 是一个宏，用于静态初始化互斥锁。
cond：条件变量，用于线程间的同步通信，PTHREAD_COND_INITIALIZER 是一个宏，用于静态初始化条件变量。
flag：共享变量，作为线程间通信的标志，初始值为 0。

pthread_mutex_lock(&mutex)：线程进入临界区前加锁，确保同一时间只有一个线程可以访问共享资源。
while (flag == 0)：检查共享变量 flag 的值，如果为 0，则线程需要等待条件满足。
pthread_cond_wait(&cond, &mutex)：这是一个关键函数，它会做两件事：
释放当前持有的互斥锁 mutex，允许其他线程进入临界区。
阻塞当前线程，直到条件变量 cond 被其他线程发出信号（pthread_cond_signal 或 pthread_cond_broadcast）。
当线程被唤醒后，它会重新获取互斥锁 mutex，继续执行后续代码。
printf(“线程被唤醒，条件满足\n”);：当 flag 变为 1 时，线程被唤醒，输出相应信息。
pthread_mutex_unlock(&mutex)：线程离开临界区，释放互斥锁。

pthread_create(&thread, NULL, thread_function, NULL)：创建一个新线程，执行 thread_function 函数。
sleep(2)：主线程休眠 2 秒，确保新线程有足够的时间进入等待状态。
pthread_mutex_lock(&mutex)：主线程进入临界区，加锁。
flag = 1：修改共享变量 flag 的值，表示条件已经满足。
pthread_cond_signal(&cond)：发送信号给等待在条件变量 cond 上的线程，唤醒其中一个线程。
pthread_mutex_unlock(&mutex)：主线程离开临界区，释放互斥锁。
pthread_join(thread, NULL)：主线程等待新线程执行完毕，确保程序正常结束。

通过互斥锁和条件变量实现了线程间的同步。新线程在 flag 为 0 时等待条件满足，主线程在适当的时候修改 flag 的值并发送信号唤醒等待的线程。这样可以避免线程忙等待，提高程序的效率。

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