【C++高并发服务器WebServer】-9：多线程开发

一、线程概述

与进程(process)类似，线程(thread)是允许应用程序并发执行多个任务的一种机制。一个进程可以包含多个线程。同一个程序中的所有线程均会独立执行相同程序，且共享同一份全局内存区域，其中包括初始化数据段、未初始化数据段，以及堆内存段。(传统意义上的 UNIX 进程只是多线程程序的一个特例，该进程只包含一个线程)进程是 CPU 分配资源的最小单位，线程是操作系统调度执行的最小单位。

线程是轻量级的进程(LWP:LightweightProcess)，在inux环境下线程的本质仍是进程。

查看指定进程的 LWP 号:ps-Lf pid。

比如说当在服务器中打开一个火狐浏览器后，可以通过命令ps aux查看对应的进程号，然后通过ps -Lf <火狐进程号>查看浏览器启动之后的线程。

1.1 线程和进程的区别

进程间的信息难以共享，由于除去只读代码之外，父子进程并未共享内存，因此必须采用一些进程间的通信方式，才能在进程间进行信息交换。

调用fork()创建进程的代价比较高，就算利用写时复制的技术，任然需要复制内存页表和文件描述符表之类的多种进程属性，也就是fork的开销其实还是不菲的。

线程之间能够方便、快速的共享信息，只需将数据复制到共享（全局或者堆）变量中即可。在虚拟地址空间的栈空间中，每个子线程都有自己的一块对应区域，.text代码段也是每个线程都有自己对应的。

创建线程 比进程通常快10倍不止，线程间是共享虚拟地址空间的，无需采用写时复制，无需复制页表。

1.2 线程之间共享和非共享资源

共享资源中，除了虚拟地址空间，其他的都是内核区的。

1.3 NPTL

当 Linux 最初开发时，在内核中并不能真正支持线程。但是它的确可以通过 clone() 系统调用将进程作为可调度的实体。这个调用创建了调用进程(caling process)的一个拷贝，这个拷贝与调用进程共享相同的地址空间。

LinuxThreads 项目使用这个调用来完成在用户空间模拟对线程的支持。不幸的是，这种方法有一些缺点，尤其是在信号处理、调度和进程间同步等方面都存在问题。另外，这个线程模型也不符合 POSIX的要求。

要改进 LinuxThreads，需要内核的支持，并且重写线程库。有两个相互竞争的项目开始来满足这些要求。一个包括 IBM 的开发人员的团队开展了 NGPT(Next-Generation POSIXThreads)项目。同时Red Hat 的一些开发人员开展了 NPTL 项目。NGPT 在 2003 年中期被放弃了，把这个领域完全留给了NPTL。

NPTL，或称为 Native POSlX Thread Library，是 Linux线程的一个新实现，它克服了 LinuxThreads的缺点，同时也符合 POSIX的需求。与 LinuxThreads 相比，它在性能和稳定性方面都提供了重大的改进。査看当前 pthread 库版本：
getconf GNU LIBPTHREAD VERSION

二、线程操作

pthread_t pthread_self(void);

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *
(*start_routine) (void *), void *arg);

int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);
void pthread_exit(void *retval);
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
int pthread_detach(pthread_t thread);
int pthread_cancel(pthread_t thread);

2.1 pthread_create

#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, 
void *(*start_routine) (void *), void *arg);

    - 功能：创建一个子线程
    - 参数：
        - thread：传出参数，线程创建成功后，子线程的线程ID被写到该变量中。
        - attr : 设置线程的属性，一般使用默认值，NULL
        - start_routine : 函数指针，这个函数是子线程需要处理的逻辑代码
        - arg : 给第三个参数使用，传参
    - 返回值：
        成功：0
        失败：返回错误号。这个错误号和之前errno不太一样。
        获取错误号的信息：  char * strerror(int errnum);

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

void * callback(void * arg) {
    printf("child thread...\n");
    printf("arg value: %d\n", *(int *)arg);
    return NULL;
}

int main() {

    pthread_t tid;

    int num = 10;

    // 创建一个子线程  (void *)&num 是把num的地址转换为void *类型，然后传给子线程进行使用
    int ret = pthread_create(&tid, NULL, callback, (void *)&num);

    if(ret != 0) {
        char * errstr = strerror(ret);
        printf("error : %s\n", errstr);
    } 

    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        printf("%d\n", i);
    }

    sleep(1); //防止主线程过快结束，导致子线程没有运行

    return 0;   // exit(0);
}

如果直接用命令编译： gcc pthread_create.c -o phread， 会显示如下报错：

需要在命令的末尾加上-pthread才能运行（可以查看man文档）
也就是gcc pthread_create.c -o pthread -pthread等价于gcc thread_create.c -o pthread -lpthread（通过-lib指定pthread这个库。）

2.2 pthread_exit

#include <pthread.h>
void pthread_exit(void *retval);
    功能：终止一个线程，在哪个线程中调用，就表示终止哪个线程
    参数：
        retval:需要传递一个指针，作为一个返回值，可以在pthread_join()中获取到。

pthread_t pthread_self(void);
    功能：获取当前的线程的线程ID

int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);
    功能：比较两个线程ID是否相等
    不同的操作系统，pthread_t类型的实现不一样，有的是无符号的长整型，有的是使用结构体去实现的。

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

void * callback(void * arg) {
    printf("child thread id : %ld\n", pthread_self());
    return NULL;    // return NULL 等价于pthread_exit(NULL);
} 

int main() {

    // 创建一个子线程
    pthread_t tid;
    int ret = pthread_create(&tid, NULL, callback, NULL);

    if(ret != 0) {
        char * errstr = strerror(ret);
        printf("error : %s\n", errstr);
    }

    // 主线程
    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        printf("%d\n", i);
    }

    printf("tid : %ld, main thread id : %ld\n", tid ,pthread_self());

    // 让主线程退出,当主线程退出时，不会影响其他正常运行的线程。
    pthread_exit(NULL);

    printf("main thread exit\n");

    return 0;   // exit(0);
}

2.3 pthread_join

#include <pthread.h>
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
    - 功能：和一个已经终止的线程进行连接
            回收子线程的资源
            这个函数是阻塞函数，调用一次只能回收一个子线程
            一般在主线程中使用
    - 参数：
        - thread：需要回收的子线程的ID
        - retval: 接收子线程退出时的返回值
    - 返回值：
        0 : 成功
        非0 : 失败，返回的错误号

如果运行的value是全局变量，那么能够顺利回收资源。

但是如果采用的是下面代码的pthread_exit((void *)&value); 这一行是问题的关键。value 是一个局部变量，它存储在子线程的栈空间中。当子线程执行到 pthread_exit 时，value 的作用域已经结束，子线程的栈空间可能会被回收或覆盖。因此，pthread_exit 返回的指针指向了一个已经被销毁的局部变量的地址，这导致了未定义行为。所以回收了打印的value是乱值。

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

//int value = 10;

void * callback(void * arg) {
    printf("child thread id : %ld\n", pthread_self());
    sleep(3);
    // return NULL; 
     int value = 10; // 局部变量
    pthread_exit((void *)&value);   // return (void *)&value;
} 

int main() {

    // 创建一个子线程
    pthread_t tid;
    int ret = pthread_create(&tid, NULL, callback, NULL);

    if(ret != 0) {
        char * errstr = strerror(ret);
        printf("error : %s\n", errstr);
    }

    // 主线程
    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        printf("%d\n", i);
    }

    printf("tid : %ld, main thread id : %ld\n", tid ,pthread_self());

    // 主线程调用pthread_join()回收子线程的资源
    int * thread_retval;
    ret = pthread_join(tid, (void **)&thread_retval);

    if(ret != 0) {
        char * errstr = strerror(ret);
        printf("error : %s\n", errstr);
    }

    printf("exit data : %d\n", *thread_retval);

    printf("回收子线程资源成功！\n");

    // 让主线程退出,当主线程退出时，不会影响其他正常运行的线程。
    pthread_exit(NULL);

    return 0; 
}

2.4 pthread_detach

#include <pthread.h>
int pthread_detach(pthread_t thread);
    - 功能：分离一个线程。被分离的线程在终止的时候，会自动释放资源返回给系统。
      1.不能多次分离，会产生不可预料的行为。
      2.不能去连接一个已经分离的线程，会报错。
    - 参数：需要分离的线程的ID
    - 返回值：
        成功：0
        失败：返回错误号

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

void * callback(void * arg) {
    printf("chid thread id : %ld\n", pthread_self());
    return NULL;
}

int main() {

    // 创建一个子线程
    pthread_t tid;

    int ret = pthread_create(&tid, NULL, callback, NULL);
    if(ret != 0) {
        char * errstr = strerror(ret);
        printf("error1 : %s\n", errstr);
    }

    // 输出主线程和子线程的id
    printf("tid : %ld, main thread id : %ld\n", tid, pthread_self());

    // 设置子线程分离,子线程分离后，子线程结束时对应的资源就不需要主线程释放
    ret = pthread_detach(tid);
    if(ret != 0) {
        char * errstr = strerror(ret);
        printf("error2 : %s\n", errstr);
    }
    // 设置分离后，对分离的子线程进行连接 pthread_join()
    // ret = pthread_join(tid, NULL);
    // if(ret != 0) {
    //     char * errstr = strerror(ret);
    //     printf("error3 : %s\n", errstr);
    // }
    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}

2.5 patch_cancel

pthread_cancel 是一个用于取消线程的函数。它的功能是让线程终止运行，但需要注意的是，这并不意味着线程会立即终止。线程的终止需要等到它执行到一个“取消点”时才会发生。所谓“取消点”，可以简单理解为系统规定的一些系统调用，这些调用通常涉及从用户空间到内核空间的切换。当线程执行到这些取消点时，它才会真正终止。

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

void * callback(void * arg) {
    printf("chid thread id : %ld\n", pthread_self());
    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        printf("child : %d\n", i);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    
    // 创建一个子线程
    pthread_t tid;

    int ret = pthread_create(&tid, NULL, callback, NULL);
    if(ret != 0) {
        char * errstr = strerror(ret);
        printf("error1 : %s\n", errstr);
    }

    // 取消线程
    pthread_cancel(tid);

    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        printf("%d\n", i);
    }

    // 输出主线程和子线程的id
    printf("tid : %ld, main thread id : %ld\n", tid, pthread_self());

    
    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}

2.6 pthread_attr

int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);
    - 初始化线程属性变量

int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr);
    - 释放线程属性的资源

int pthread_attr_getdetachstate(const pthread_attr_t *attr, int *detachstate);
    - 获取线程分离的状态属性

int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate);
    - 设置线程分离的状态属性

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

void * callback(void * arg) {
    printf("chid thread id : %ld\n", pthread_self());
    return NULL;
}

int main() {

    // 创建一个线程属性变量
    pthread_attr_t attr;
    // 初始化属性变量
    pthread_attr_init(&attr);

    // 设置属性
    pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);

    // 创建一个子线程
    pthread_t tid;

    int ret = pthread_create(&tid, &attr, callback, NULL);
    if(ret != 0) {
        char * errstr = strerror(ret);
        printf("error1 : %s\n", errstr);
    }

    // 获取线程的栈的大小
    size_t size;
    pthread_attr_getstacksize(&attr, &size);
    printf("thread stack size : %ld\n", size);

    // 输出主线程和子线程的id
    printf("tid : %ld, main thread id : %ld\n", tid, pthread_self());

    // 释放线程属性资源
    pthread_attr_destroy(&attr);

    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}

三、实战demo

下面程序也存在一定的问题，就是可能多个线程卖同一张票，也可能最后会出现卖0张、卖第-1张票的情况出现。这就是线程同步的问题。

/*
    使用多线程实现买票的案例。
    有3个窗口，一共是100张票。
*/

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

// 全局变量，所有的线程都共享这一份资源。
// 如果放到sellticket中，俺么大家都会卖100张，一共卖300张。
int tickets = 100;

void * sellticket(void * arg) {
    // 卖票
    while(tickets > 0) {
        usleep(6000);
        printf("%ld 正在卖第 %d 张门票\n", pthread_self(), tickets);
        tickets--;
    }
    return NULL;
}

int main() {

    // 创建3个子线程
    pthread_t tid1, tid2, tid3;
    pthread_create(&tid1, NULL, sellticket, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, sellticket, NULL);
    pthread_create(&tid3, NULL, sellticket, NULL);

    // 回收子线程的资源,阻塞
    // pthread_join(tid1, NULL);
    // pthread_join(tid2, NULL);
    // pthread_join(tid3, NULL);

    // 设置线程分离。
    pthread_detach(tid1);
    pthread_detach(tid2);
    pthread_detach(tid3);

    pthread_exit(NULL); // 退出主线程

    return 0;
}

四、线程同步

从上面的demo可以看出线程同步的情况需要考虑。

线程的主要优势在于，能够通过全局变量来共享信息。不过，这种便捷的共享是有代价的，必须确保多个线程不会同时修改同一变量，或者某一线程不会读取正在由其他线程修改的变量。

临界区是指访问某一共享资源的代码片段，并且这段代码的执行应为原子操作，也就是同时访问同一共享资源的其他线程不应终端该片段的执行。

线程同步:即当有一个线程在对内存进行操作时，其他线程都不可以对这个内存地址进行操作，直到该线程完成操作，其他线程才能对该内存地址进行操作，而其他线程则处于等待状态。

为避免线程更新共享变量时出现问题，可以使用互斥量(mutex是 mutual exclusion的缩写)来确保同时仅有一个线程可以访问某项共享资源。可以使用互斥量来保证对任意共享资源的原子访问。

互斥量有两种状态：已锁定(locked)和未锁定(unlocked)。任何时候，至多只有一个线程可以锁定该互斥量。试图对已经锁定的某一互斥量再次加锁，将可能阻塞线程或者报错失败，具体取决于加锁时使用的方法。

一旦线程锁定互斥量，随即成为该互斥量的所有者，只有所有者才能给互斥量解锁。一般情况下，对每一共享资源(可能由多个相关变量组成)会使用不同的互斥量，每一线程在访问同一资源时将采用如下协议：首先针对共享资源锁定互斥量，然后访问共享资源，最后对互斥量解锁即可。

简单来说就是如果多个线程相同时执行一个代码（临界区），只有一个线程能够持有互斥量，其他的线程将阻塞，这样也就保证了只有一个线程能够进入这段代码区域。

先来看看mutex的相关函数

    互斥量的类型 pthread_mutex_t
    int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
        - 初始化互斥量
        - 参数 ：
            - mutex ： 需要初始化的互斥量变量
            - attr ： 互斥量相关的属性，NULL
        - restrict : C语言的修饰符，被修饰的指针，不能由另外的一个指针进行操作。
            pthread_mutex_t *restrict mutex = xxx;
            pthread_mutex_t * mutex1 = mutex;

    int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
        - 释放互斥量的资源

    int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
        - 加锁，阻塞的，如果有一个线程加锁了，那么其他的线程只能阻塞等待

    int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
        - 尝试加锁，如果加锁失败，不会阻塞，会直接返回。

    int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
        - 解锁

所以刚刚的代码可以优化成下面加锁的形式。

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

// 全局变量，所有的线程都共享这一份资源。
int tickets = 1000;

// 创建一个互斥量
pthread_mutex_t mutex;

void * sellticket(void * arg) {

    // 卖票
    while(1) {

        // 加锁
        pthread_mutex_lock(&mutex);

        if(tickets > 0) {
            usleep(6000);
            printf("%ld 正在卖第 %d 张门票\n", pthread_self(), tickets);
            tickets--;
        }else {
            // 解锁
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            break;
        }

        // 解锁
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }

    return NULL;
}

int main() {

    // 初始化互斥量
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    // 创建3个子线程
    pthread_t tid1, tid2, tid3;
    pthread_create(&tid1, NULL, sellticket, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, sellticket, NULL);
    pthread_create(&tid3, NULL, sellticket, NULL);

    // 回收子线程的资源,阻塞
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);
    pthread_join(tid3, NULL);

    pthread_exit(NULL); // 退出主线程

    // 释放互斥量资源
    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    return 0;
}

五、死锁

有时一个线程需要同时访问两个或更多不同的共享资源，而每个资源又都由不同的互斥量管理。当超过一个线程加锁同一组互斥量时，就有可能发生死锁。

两个或两个以上的进程在执行过程中，因争夺共享资源而造成的一种互相等待的现象，若无外力作用它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁。

死锁的几种场景：忘记释放锁、重复加锁（也就是一条加锁的语句连续有两行这种，会导致第二行就卡住了）、多线程多锁导致锁抢占资源。

比如下面这种情况，就是最常见的死锁情况示意图。

六、读写锁

当有一个线程已经持有互斥锁时，互斥锁将所有试图进入临界区的线程都阻塞住。但是考虑一种情形，当前持有互斥锁的线程只是要读访问共享资源，而同时有其它几个线程也想读取这个共享资源，但是由于互斥锁的排它性，所有其它线程都无法获取锁，也就无法读访问共享资源了，但是实际上多个线程同时读访问共享资源并不会导致问题。

在对数据的读写操作中，更多的是读操作，写操作较少，例如对数据库数据的读写应用。为了满足当前能够允许多个读出，但只允许一个写入的需求，线程提供了读写锁来实现。

读写锁的特点:
如果有其它线程读数据，则允许其它线程执行读操作，但不允许写操作。
如果有其它线程写数据，则其它线程都不允许读、写操作。
写是独占的，写的优先级高。

读写锁的类型 pthread_rwlock_t
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

/*
    案例：8个线程操作同一个全局变量。
    3个线程不定时写这个全局变量，5个线程不定时的读这个全局变量
*/

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

// 创建一个共享数据
int num = 1;
// pthread_mutex_t mutex;
pthread_rwlock_t rwlock;

void * writeNum(void * arg) {

    while(1) {
        pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
        num++;
        printf("++write, tid : %ld, num : %d\n", pthread_self(), num);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        usleep(100);
    }

    return NULL;
}

void * readNum(void * arg) {

    while(1) {
        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
        printf("===read, tid : %ld, num : %d\n", pthread_self(), num);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        usleep(100);
    }

    return NULL;
}

int main() {

   pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);

    // 创建3个写线程，5个读线程
    pthread_t wtids[3], rtids[5];
    for(int i = 0; i < 3; i++) {
        pthread_create(&wtids[i], NULL, writeNum, NULL);
    }

    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_create(&rtids[i], NULL, readNum, NULL);
    }

    // 设置线程分离
    for(int i = 0; i < 3; i++) {
       pthread_detach(wtids[i]);
    }

    for(int i = 0; i < 5; i++) {
         pthread_detach(rtids[i]);
    }

    getchar();
    
    pthread_rwlock_destroy(&rwlock);
    pthread_exit(NULL);
    

    return 0;
}

运行之后可以看到num是非常有顺序的。

七、生产消费者模型

下面是一个粗略简单的生产者消费者demo模型。

但是下面的代码有一点问题，就是如果没有数据消费者还是一直while循环，那么就不太好，浪费了资源，所以就引入 条件变量。

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

// 创建一个互斥量
pthread_mutex_t mutex;

struct Node{
    int num;
    struct Node *next;
};

// 头结点
struct Node * head = NULL;

void * producer(void * arg) {

    // 不断的创建新的节点，添加到链表中
    while(1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        struct Node * newNode = (struct Node *)malloc(sizeof(struct Node));
        newNode->next = head;
        head = newNode;
        newNode->num = rand() % 1000;
        printf("add node, num : %d, tid : %ld\n", newNode->num, pthread_self());
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        usleep(100);
    }

    return NULL;
}

void * customer(void * arg) {

    while(1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        // 保存头结点的指针
        struct Node * tmp = head;

        // 判断是否有数据
        if(head != NULL) {
            // 有数据
            head = head->next;
            printf("del node, num : %d, tid : %ld\n", tmp->num, pthread_self());
            free(tmp);
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            usleep(100);
        } else {
            // 没有数据就释放锁
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
        }
    }
    return  NULL;
}

int main() {

    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    // 创建5个生产者线程，和5个消费者线程
    pthread_t ptids[5], ctids[5];

    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_create(&ptids[i], NULL, producer, NULL);
        pthread_create(&ctids[i], NULL, customer, NULL);
    }

    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_detach(ptids[i]);
        pthread_detach(ctids[i]);
    }

    while(1) {
        sleep(10);
    }

    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}

条件变量的类型 pthread_cond_t
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);
    - 等待，调用了该函数，线程会阻塞。
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime);
    - 等待多长时间，调用了这个函数，线程会阻塞，直到指定的时间结束。
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
    - 唤醒一个或者多个等待的线程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
    - 唤醒所有的等待的线程

下面是对上面demo引入条件变量的优化。

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

// 创建一个互斥量
pthread_mutex_t mutex;
// 创建条件变量
pthread_cond_t cond;

struct Node{
    int num;
    struct Node *next;
};

// 头结点
struct Node * head = NULL;

void * producer(void * arg) {

    // 不断的创建新的节点，添加到链表中
    while(1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        struct Node * newNode = (struct Node *)malloc(sizeof(struct Node));
        newNode->next = head;
        head = newNode;
        newNode->num = rand() % 1000;
        printf("add node, num : %d, tid : %ld\n", newNode->num, pthread_self());
        
        // 只要生产了一个，就通知消费者消费
        pthread_cond_signal(&cond);

        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        usleep(100);
    }

    return NULL;
}

void * customer(void * arg) {

    while(1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        // 保存头结点的指针
        struct Node * tmp = head;
        // 判断是否有数据
        if(head != NULL) {
            // 有数据
            head = head->next;
            printf("del node, num : %d, tid : %ld\n", tmp->num, pthread_self());
            free(tmp);
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            usleep(100);
        } else {
            // 没有数据，需要等待
            // 当这个函数调用阻塞的时候，会对互斥锁进行解锁，这样其他的生产者就可以继续生产，不会造成死锁。当不阻塞的时候，继续向下执行，会重新加锁。所以这也就是为什么后面还是要继续多一行代码进行解锁。
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
            
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
        }
    }
    return  NULL;
}

int main() {

    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    pthread_cond_init(&cond, NULL);

    // 创建5个生产者线程，和5个消费者线程
    pthread_t ptids[5], ctids[5];

    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_create(&ptids[i], NULL, producer, NULL);
        pthread_create(&ctids[i], NULL, customer, NULL);
    }

    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_detach(ptids[i]);
        pthread_detach(ctids[i]);
    }

    while(1) {
        sleep(10);
    }

    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&cond);

    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}

接着我们来看看信号量（用于阻塞线程），但是不能保证线程的数据安全问题，如果要保证数据安全问题，需要跟互斥锁一起使用。

信号量的类型 sem_t
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
int sem_destroy(sem_t *sem);
int sem_wait(sem_t *sem);
int sem_trywait(sem_t *sem);
int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);
int sem_post(sem_t *sem);
int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);

    信号量的类型 sem_t
    int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
        - 初始化信号量
        - 参数：
            - sem : 信号量变量的地址
            - pshared : 0 用在线程间 ，非0 用在进程间
            - value : 信号量中的值

    int sem_destroy(sem_t *sem);
        - 释放资源

    int sem_wait(sem_t *sem);
        - 对信号量加锁，调用一次对信号量的值-1，如果值为0，就阻塞

    int sem_trywait(sem_t *sem);

    int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);
    int sem_post(sem_t *sem);
        - 对信号量解锁，调用一次对信号量的值+1

    int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);

    sem_t psem;
    sem_t csem;
    init(psem, 0, 8);
    init(csem, 0, 0);

    producer() {
        sem_wait(&psem);
        sem_post(&csem)
    }

    customer() {
        sem_wait(&csem);
        sem_post(&psem)
    }

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

// 创建一个互斥量
pthread_mutex_t mutex;
// 创建两个信号量
sem_t psem;
sem_t csem;

struct Node{
    int num;
    struct Node *next;
};

// 头结点
struct Node * head = NULL;

void * producer(void * arg) {

    // 不断的创建新的节点，添加到链表中
    while(1) {
        sem_wait(&psem);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        struct Node * newNode = (struct Node *)malloc(sizeof(struct Node));
        newNode->next = head;
        head = newNode;
        newNode->num = rand() % 1000;
        printf("add node, num : %d, tid : %ld\n", newNode->num, pthread_self());
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sem_post(&csem);
    }

    return NULL;
}

void * customer(void * arg) {

    while(1) {
        sem_wait(&csem);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        // 保存头结点的指针
        struct Node * tmp = head;
        head = head->next;
        printf("del node, num : %d, tid : %ld\n", tmp->num, pthread_self());
        free(tmp);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sem_post(&psem);
       
    }
    return  NULL;
}

int main() {

    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    sem_init(&psem, 0, 8);
    sem_init(&csem, 0, 0);

    // 创建5个生产者线程，和5个消费者线程
    pthread_t ptids[5], ctids[5];

    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_create(&ptids[i], NULL, producer, NULL);
        pthread_create(&ctids[i], NULL, customer, NULL);
    }

    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_detach(ptids[i]);
        pthread_detach(ctids[i]);
    }

    while(1) {
        sleep(10);
    }

    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}