你好，我是拉依达。

这是我的Linux应用开发八股文详细解析系列。

本系列最开始是我在csdn上更新的文章全文总字数超3w字，现重新对内容进行整理，希望可以帮助到更多学习嵌入式的同学。

【下面是拉依达推荐学习相关专栏：】
一、Linux驱动学习专栏：拉依达的Linux驱动八股文 - 牛客网
二、Linux应用学习专栏：拉依达的Linux应用八股文 - 牛客网
【我的嵌入式学习和校招经验】 拉依达的嵌入式学习和秋招经验-CSDN博客
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五、线程同步

所谓的同步并不是多个线程同时对内存进行访问，而是按照先后顺序依次进行的。

5.1 线程同步方式

对于多个线程访问共享资源出现数据混乱的问题，需要进行线程同步。常用的线程同步方式有四种：互斥锁、读写锁、条件变量、信号量。所谓的共享资源就是多个线程共同访问的变量，这些变量通常为全局数据区变量或者堆区变量，这些变量对应的共享资源也被称之为临界资源。

找到临界资源之后，再找和临界资源相关的上下文代码，这样就得到了一个代码块，这个代码块可以称之为临界区。确定好临界区（临界区越小越好）之后，就可以进行线程同步了，线程同步的大致处理思路是这样的：

• 在临界区代码的上边，添加加锁函数，对临界区加锁。
  • 哪个线程调用这句代码，就会把这把锁锁上，其他线程就只能阻塞在锁上了。
• 在临界区代码的下边，添加解锁函数，对临界区解锁。
  • 出临界区的线程会将锁定的那把锁打开，其他抢到锁的线程就可以进入到临界区了。
• 通过锁机制能保证临界区代码最多只能同时有一个线程访问，这样并行访问就变为串行访问了。

5.2 互斥锁

互斥锁是线程同步最常用的一种方式，通过互斥锁可以锁定一个代码块，被锁定的这个代码块，所有的线程只能顺序执行 (不能并行处理)，这样多线程访问共享资源数据混乱的问题就可以被解决了，需要付出的代价就是执行效率的降低，因为默认临界区多个线程是可以并行处理的，现在只能串行处理。

在 Linux 中互斥锁的类型为 pthread_mutex_t，创建一个这种类型的变量就得到了一把互斥锁：

pthread_mutex_t  mutex;

在创建的锁对象中保存了当前这把锁的状态信息：锁定还是打开，如果是锁定状态还记录了给这把锁加锁的线程信息（线程 ID）。

一个互斥锁变量只能被一个线程锁定，被锁定之后其他线程再对互斥锁变量加锁就会被阻塞，直到这把互斥锁被解锁，被阻塞的线程才能被解除阻塞。一般情况下，每一个共享资源对应一个把互斥锁，锁的个数和线程的个数无关。

// 初始化互斥锁
// restrict: 是一个关键字, 用来修饰指针, 只有这个关键字修饰的指针可以访问指向的内存地址, 其他指针是不行的
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,
           				const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
// 释放互斥锁资源            
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

参数:

• mutex: 互斥锁变量的地址
• attr: 互斥锁的属性，一般使用默认属性即可，这个参数指定为 NULL

加锁函数（加锁失败阻塞）：

// 修改互斥锁的状态, 将其设定为锁定状态, 这个状态被写入到参数 mutex 中
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

这个函数被调用，首先会判断参数 mutex 互斥锁中的状态是不是锁定状态:

• 没有被锁定，是打开的，这个线程可以加锁成功，这个这个锁中会记录是哪个线程加锁成功了
• 如果被锁定了，其他线程加锁就失败了，这些线程都会阻塞在这把锁上
• 当这把锁被解开之后，这些阻塞在锁上的线程就解除阻塞了，并且这些线程是通过竞争的方式对这把锁加锁，没抢到锁的线程继续阻塞

尝试加锁函数（加锁失败非阻塞）：

// 尝试加锁
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

调用这个函数对互斥锁变量加锁还是有两种情况:

• 如果这把锁没有被锁定是打开的，线程加锁成功
• 如果锁变量被锁住了，调用这个函数加锁的线程，不会被阻塞，加锁失败直接返回错误号

解锁函数：

// 对互斥锁解锁
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

5.3 死锁

当多个线程访问共享资源，需要加锁，如果锁使用不当，就会造成死锁这种现象。如果线程死锁造成的后果是：所有的线程都被阻塞，并且线程的阻塞是无法解开的（因为可以解锁的线程也被阻塞了）。

死锁的场景：

1. 加锁之后忘记解锁

2. 重复加锁，造成死锁

3. 在程序中有多个共享资源，因此有很多把锁，随意加锁，导致相互被阻塞

   场景描述:

   1. 有两个共享资源:X, Y，X对应锁A, Y对应锁B - 线程A访问资源X, 加锁A - 线程B访问资源Y, 加锁B
   2. 线程A要访问资源Y, 线程B要访问资源X，因为资源X和Y已经被对应的锁锁住了，因此这个两个线程被阻塞 - 线程A被锁B阻塞了, 无法打开A锁 - 线程B被锁A阻塞了, 无法打开B锁

避免死锁

• 避免多次锁定，多检查

• 对共享资源访问完毕之后，一定要解锁，或者在加锁的使用 trylock

• 如果程序中有多把锁，可以控制对锁的访问顺序 (顺序访问共享资源，但在有些情况下是做不到的)，另外也可以在对其他互斥锁做加锁操作之前，先释放当前线程拥有的互斥锁。

• 项目程序中可以引入一些专门用于死锁检测的模块

5.4 读写锁

在做读操作的时候可以提高程序的执行效率，如果所有的线程都是做读操作, 那么读是并行的

读写锁是一把锁，锁的类型为 pthread_rwlock_t，有了类型之后就可以创建一把互斥锁了

pthread_rwlock_t rwlock;

之所以称其为读写锁，是因为这把锁既可以锁定读操作，也可以锁定写操作。为了方便理解，可以大致认为在这把锁中记录了这些信息：

• 锁的状态：锁定 / 打开
• 锁定的是什么操作：读操作 / 写操作，使用读写锁锁定了读操作，需要先解锁才能去锁定写操作，反之亦然。
• 哪个线程将这把锁锁上了

读写锁的使用方式也互斥锁的使用方式是完全相同的：找共享资源，确定临界区，在临界区的开始位置加锁（读锁 / 写锁），临界区的结束位置解锁。

因为通过一把读写锁可以锁定读或者写操作，下面介绍一下关于读写锁的特点：

1. 使用读写锁的读锁锁定了临界区，线程对临界区的访问是并行的，读锁是共享的。
2. 使用读写锁的写锁锁定了临界区，线程对临界区的访问是串行的，写锁是独占的。
3. 使用读写锁分别对两个临界区加了读锁和写锁，两个线程要同时访问者两个临界区，访问写锁临界区的线程继续运行，访问读锁临界区的线程阻塞，因为写锁比读锁的优先级高。

如果说程序中所有的线程都对共享资源做写操作，使用读写锁没有优势，和互斥锁是一样的，如果说程序中所有的线程都对共享资源有写也有读操作，并且对共享资源读的操作越多，读写锁更有优势。

读写锁的操作

#include <pthread.h>
pthread_rwlock_t rwlock;
// 初始化读写锁
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,
           const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);
// 释放读写锁占用的系统资源
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

参数:

• rwlock: 读写锁的地址，传出参数
• attr: 读写锁属性，一般使用默认属性，指定为 NULL

// 在程序中对读写锁加读锁, 锁定的是读操作
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

调用这个函数，如果读写锁是打开的，那么加锁成功；如果读写锁已经锁定了读操作，调用这个函数依然可以加锁成功，因为读锁是共享的；如果读写锁已经锁定了写操作，调用这个函数的线程会被阻塞。

// 这个函数可以有效的避免死锁
// 如果加读锁失败, 不会阻塞当前线程, 直接返回错误号
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

调用这个函数，如果读写锁是打开的，那么加锁成功；如果读写锁已经锁定了读操作，调用这个函数依然可以加锁成功，因为读锁是共享的；如果读写锁已经锁定了写操作，调用这个函数加锁失败，对应的线程不会被阻塞，可以在程序中对函数返回值进行判断，添加加锁失败之后的处理动作。

// 在程序中对读写锁加写锁, 锁定的是写操作
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

调用这个函数，如果读写锁是打开的，那么加锁成功；如果读写锁已经锁定了读操作或者锁定了写操作，调用这个函数的线程会被阻塞。

// 这个函数可以有效的避免死锁
// 如果加写锁失败, 不会阻塞当前线程, 直接返回错误号
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

调用这个函数，如果读写锁是打开的，那么加锁成功；如果读写锁已经锁定了读操作或者锁定了写操作，调用这个函数加锁失败，但是线程不会阻塞，可以在程序中对函数返回值进行判断，添加加锁失败之后的处理动作。

// 解锁, 不管锁定了读还是写都可用解锁
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

5.5 条件变量

条件变量的主要作用不是处理线程同步，而是进行线程的阻塞。如果在多线程程序中只使用条件变量无法实现线程的同步，必须要配合互斥锁来使用。虽然条件变量和互斥锁都能阻塞线程，但是二者的效果是不一样的，二者的区别如下：

• 假设有 A-Z 26 个线程，这 26 个线程共同访问同一把互斥锁，如果线程 A 加锁成功，那么其余 B-Z 线程访问互斥锁都阻塞，所有的线程只能顺序访问临界区
• 条件变量只有在满足指定条件下才会阻塞线程，如果条件不满足，多个线程可以同时进入临界区，同时读写临界资源，这种情况下还是会出现共享资源中数据的混乱。

条件变量类型对应的类型为 pthread_cond_t，这样就可以定义一个条件变量类型的变量了：

pthread_cond_t cond;
//被条件变量阻塞的线程的线程信息会被记录到这个变量中，以便在解除阻塞的时候使用。

#include <pthread.h>
pthread_cond_t cond;
// 初始化
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,
      const pthread_condattr_t *restrict attr);
// 销毁释放资源        
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

参数:

• cond: 条件变量的地址
• attr: 条件变量属性，一般使用默认属性，指定为 NULL

// 线程阻塞函数, 哪个线程调用这个函数, 哪个线程就会被阻塞
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);

通过函数原型可以看出，该函数在阻塞线程的时候，需要一个互斥锁参数，这个互斥锁主要功能是进行线程同步，让线程顺序进入临界区，避免出现数共享资源的数据混乱。该函数会对这个互斥锁做以下几件事情：

1. 在阻塞线程时候，如果线程已经对互斥锁 mutex 上锁，那么会将这把锁打开，这样做是为了避免死锁
2. 当线程解除阻塞的时候，函数内部会帮助这个线程再次将这个 mutex 互斥锁锁上，继续向下访问临界区

// 表示的时间是从1971.1.1到某个时间点的时间, 总长度使用秒/纳秒表示
struct timespec {
	time_t tv_sec;      /* Seconds */
	long   tv_nsec;     /* Nanoseconds [0 .. 999999999] */
};
// 将线程阻塞一定的时间长度, 时间到达之后, 线程就解除阻塞了
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,
           pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime);

这个函数的前两个参数和 pthread_cond_wait 函数是一样的，第三个参数表示线程阻塞的时长，但是需要额外注意一点：struct timespec 这个结构体中记录的时间是从1971.1.1到某个时间点的时间，总长度使用秒/纳秒表示。因此赋值方式相对要麻烦一点：

time_t mytim = time(NULL);	// 1970.1.1 0:0:0 到当前的总秒数
struct timespec tmsp;
tmsp.tv_nsec = 0;
tmsp.tv_sec = time(NULL) + 100;	// 线程阻塞100s

// 唤醒阻塞在条件变量上的线程, 至少有一个被解除阻塞
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
// 唤醒阻塞在条件变量上的线程, 被阻塞的线程全部解除阻塞
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

调用上面两个函数中的任意一个，都可以换线被 pthread_cond_wait 或者 pthread_cond_timedwait 阻塞的线程，区别就在于 pthread_cond_signal 是唤醒至少一个被阻塞的线程（总个数不定），pthread_cond_broadcast 是唤醒所有被阻塞的线程。

5.6 信号量

信号量（信号灯）与互斥锁和条件变量的主要不同在于” 灯” 的概念，灯亮则意味着资源可用，灯灭则意味着不可用。信号量主要阻塞线程，不能完全保证线程安全，如果要保证线程安全，需要信号量和互斥锁一起使用。

信号的类型为 sem_t 对应的头文件为 <semaphore.h>：

#include <semaphore.h>
sem_t sem;

信号量操作函数原型如下：

#include <semaphore.h>
// 初始化信号量/信号灯
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
// 资源释放, 线程销毁之后调用这个函数即可
// 参数 sem 就是 sem_init() 的第一个参数            
int sem_destroy(sem_t *sem);

参数:

• sem：信号量变量地址
• pshared：
  • 0：线程同步
  • 非 0：进程同步
• value：初始化当前信号量拥有的资源数（>=0），如果资源数为 0，线程就会被阻塞了。

// 参数 sem 就是 sem_init() 的第一个参数  
// 函数被调用sem中的资源就会被消耗1个, 资源数-1
int sem_wait(sem_t *sem);

当线程调用这个函数，并且 sem 中的资源数 >0，线程不会阻塞，线程会占用 sem 中的一个资源，因此资源数 - 1，直到 sem 中的资源数减为 0 时，资源被耗尽，因此线程也就被阻塞了。

// 参数 sem 就是 sem_init() 的第一个参数  
// 函数被调用sem中的资源就会被消耗1个, 资源数-1
int sem_trywait(sem_t *sem);

当线程调用这个函数，并且 sem 中的资源数 >0，线程不会阻塞，线程会占用 sem 中的一个资源，因此资源数 - 1，直到 sem 中的资源数减为 0 时，资源被耗尽，但是线程不会被阻塞，直接返回错误号，因此可以在程序中添加判断分支，用于处理获取资源失败之后的情况。

// 表示的时间是从1971.1.1到某个时间点的时间, 总长度使用秒/纳秒表示
struct timespec {
	time_t tv_sec;      /* Seconds */
	long   tv_nsec;     /* Nanoseconds [0 .. 999999999] */
};
// 调用该函数线程获取sem中的一个资源，当资源数为0时，线程阻塞，在阻塞abs_timeout对应的时长之后，解除阻塞。
// abs_timeout: 阻塞的时间长度, 单位是s, 是从1970.1.1开始计算的
int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);

该函数的参数 abs_timeout 和 pthread_cond_timedwait 的最后一个参数是一样的，使用方法不再过多赘述。当线程调用这个函数，并且 sem 中的资源数 >0，线程不会阻塞，线程会占用 sem 中的一个资源，因此资源数 - 1，直到 sem 中的资源数减为 0 时，资源被耗尽，线程被阻塞，当阻塞指定的时长之后，线程解除阻塞。

// 调用该函数给sem中的资源数+1
int sem_post(sem_t *sem);

调用该函数会将 sem 中的资源数 +1，如果有线程在调用 sem_wait、sem_trywait、sem_timedwait 时因为 sem 中的资源数为 0 被阻塞了，这时这些线程会解除阻塞，获取到资源之后继续向下运行。

// 查看信号量 sem 中的整形数的当前值, 这个值会被写入到sval指针对应的内存中
// sval是一个传出参数
int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);

通过这个函数可以查看 sem 中现在拥有的资源个数，通过第二个参数 sval 将数据传出，也就是说第二个参数的作用和返回值是一样的。