Linux高并发服务器之Linux多线程开发

本文源自C++高薪面试项目的学习笔记，主要记录Liunx多线程的学习，主要知识点是线程概述等基础概念以外，还有线程相关Liunx系统函数以及对应练手代码，除此之外还有线程同步问题的讲解以及实战多线程买票问题及解决，并且使用互斥锁、读写锁等方法解决的生产者和消费者模型，最后就是有关死锁问题的概念，以及采用银行家算法等对死锁问题的处理

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：Light Weight Process），在 Linux 环境下线程的本质仍是进程。
查看指定进程的 LWP 号：ps –Lf pid
man找不到有关rwlock等函数可以sudo apt-get install manpages-posix-dev

进程和线程的区别:
◼ 进程间的信息难以共享。由于除去只读代码段外，父子进程并未共享内存，因此必须采用
一些进程间通信方式，在进程间进行信息交换。
◼ 调用 fork() 来创建进程的代价相对较高，即便利用写时复制技术，仍然需要复制诸如
内存页表和文件描述符表之类的多种进程属性，这意味着 fork() 调用在时间上的开销
依然不菲。
◼ 线程之间能够方便、快速地共享信息。只需将数据复制到共享（全局或堆）变量中即可。
◼ 创建线程比创建进程通常要快 10 倍甚至更多。线程间是共享虚拟地址空间的，无需采
用写时复制来复制内存，也无需复制页表

进程和线程虚拟地址空间：

线程之间共享和非共享的资源：
在这里插入图片描述
Liunx线程库--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（calling 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
POSIX Threads）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 POSIX 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。
◼ 查看当前 pthread 库版本：getconf GNU_LIBPTHREAD_VERSION

二、线程操作相关函数

查看线程相关所有函数：man -k pthread 或者man pthread加上两次tap键

注意编译要加上 -pthread：gcc test.c -o app -pthread

相关函数如下：
◼ int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
void (start_routine) (void *), void *arg); // 创建子线程
◼ pthread_t pthread_self(void); //获取当前线程id
◼ int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2); //比较两线程id是否相等
◼ void pthread_exit(void *retval);//退出当前线程
◼ int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);//连接已终止的子线程回收资源
◼ int pthread_detach(pthread_t thread); //分离线程，进程结束时系统回收其资源
◼ int pthread_cancel(pthread_t thread); //当线程执行到取消点时终止线程

以上函数逐个介绍并附实操代码如下（多数为老师课上敲的正确代码，如有错漏欢迎指出）：

1、创建线程

man pthread_create 查看得以下信息：

#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);

实操调用：

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

void *callback(void * arg){
    int num = *(int *)arg;//需要先将void* 转化为int* 然后再解引用
    while(num--){
        sleep(1);
        printf("child_pthread : %d\n", num);
    }
    return NULL;
}

int main(){
    pthread_t pid;
    int num = 999;
    int ret = pthread_create(&pid, NULL, callback, (void *)&num);//创建一个子线程
    if (ret != 0){      //返回值非0，返回错误信息
        char *errstr = strerror(ret);
        printf("error: %s\n",errstr);
    }

    for(int i = 999; i > 0; i++) {
        sleep(1);       //防止子线程没时间抢占cpu运行
        printf("mian_pthread : %d\n", i);
    }
    return 0;//相当于 exit(0) 进程结束
}

2、线程终止

man pthread_exit 、 man pthread_self 、 man pthread_equal 得出以下信息:

#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。

实操调用：

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

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

int main() {  
    pthread_t tid;
    int ret = pthread_create(&tid, NULL, callback, NULL);// 创建一个子线程
    if(ret != 0) {
        char * errstr = strerror(ret);
        printf("error : %s\n", errstr);
    }

    // 主线程
    for(int i = 0; i < 9; 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");
	
	//当所有子线程都退出后，主进程结束，系统回收所有资源
    return 0;   // exit(0);
}

3、线程连接

#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

实操演示：

#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; 
}

4、线程分离

/*
    #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);
    }

    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}

5、线程取消

/*
    #include <pthread.h>
    int pthread_cancel(pthread_t thread);
        - 功能：取消线程（让线程终止）
            取消某个线程，可以终止某个线程的运行，
            但是并不是立马终止，而是当子线程执行到一个取消点，线程才会终止。
            取消点：系统规定好的一些系统调用，我们可以粗略的理解为从用户区到内核区的切换，这个位置称之为取消点。
*/
#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;
}

6、线程属性

man -k pthread_attr_ ：查看所有线程属性函数，或者man pthread_attr_加上两次tap键

线程属性类型 pthread_attr_t

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, intdetachstate);//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;
}

Linux默认为每个线程分配了足够的堆栈空间（一般是8MB = 8388608 B），可以用ulimit -s 命令查看或修改这个默认值；

三、线程同步

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。

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中断该片段的执行。

1、多线程卖票案例

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。
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);

    pthread_exit(NULL); // 退出主线程

    return 0;
}

在这里插入图片描述
执行以上代码会发现一个问题，一张门票似乎被买了三次？这是因为在当全局变量为100的时候同时被多个子线程读取后造成的问题，解决这个问题有很多方法，比如互斥量

2、互斥锁解决卖票问题

◼ 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：

针对共享资源锁定互斥量
访问共享资源
对互斥量解锁

在这里插入图片描述

如果在man操作手册中找不到有关mutex,可以尝试命令
sudo apt-get install manpages-posix-dev安装额外帮助包即可
然后 man pthread_mutex_再连续按tap两下即可
互斥量相关函数：
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

使用互斥锁实操解决卖票问题：

#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;
}

运行以上代码，卖票正常效果如下：
在这里插入图片描述

3、读写锁优化卖票问题

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。

比如在上述卖票问题中，假设多个窗口的客人都只是查询余票的，也就是只读，如果这个时候如果是使用的互斥锁，那么这些线程都得等着锁的释放，但是这可以优化一下采用读写锁，当一个线程来访问时，如果是读锁且自己也是读操作就可以访问数据，但是不能修改数据，而如果是写锁，那么就只能等待写锁释放；

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。

如果在man操作手册中找不到有关rwlock,可以尝试命令
sudo apt-get install manpages-posix-dev安装额外帮助包即可
然后 man pthread_rwlock_再连续按tap两下即可

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：6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，3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 tickets = 100;
pthread_rwlock_t rwlock;

void * writeTickets(void * arg) {
    while(1) {
        pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
        if (tickets > 0) 
            printf("%ld 售出 : %d 号票\n", pthread_self(), tickets--);
        else {
            pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
            break;
        }
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        usleep(1000);
    }
    return NULL;
}

void * readTickets(void * arg) {
    while(1) {
        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
        if (tickets > 0) 
            printf("%ld 查询余票为 : %d 张\n", pthread_self(), tickets);
        else {
            pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
            break;
        }
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        usleep(1000);
    }

    return NULL;
}

int main() {
    pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);

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

    for(int i = 0; i < 3; i++) {
        pthread_create(&rtids[i], NULL, readTickets, NULL);
    }

    // 连接已终止线程回收
    for(int i = 0; i < 3; i++) {
        pthread_join(wtids[i], NULL);
    }

    for(int i = 0; i < 3; i++) {
        pthread_join(rtids[i], NULL);
    }

    pthread_rwlock_destroy(&rwlock);
    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}

效果如下，直到售出最后一张票程序终止：
在这里插入图片描述

4、生产者消费者模型

/*
    生产者消费者模型（粗略的版本）
*/
#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
            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;
}

5、条件变量解决生产者消费者问题

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
*/
#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，当不阻塞的，继续向下执行，会重新加锁。
            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;
}

6、信号量解决生产者消费者问题

信号量的类型 sem_t

/*
    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_join(ptids[i],NULL);
        pthread_join(ctids[i],NULL);
    }

    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}

四、死锁问题

1、死锁问题的概述

什么是死锁？

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、饥饿、死循环的区别？

死锁是各进程之间互相等待对方的资源，导致各进程都阻塞无法推进的现象；

饥饿是某进程长期得不到需要的资源，进程无法推进

死循环是进程执行过程中跳不出某个循环的现象，有时是程序逻辑bug有时是程序员故意设计；

区别：

死锁、饥饿是操作系分配资源的问题，死循环是代理逻辑错误导致的；

饥饿可能是阻塞态也可能是就绪态并且可能是一个或多个，而死锁至少是两个及以上进程同时死锁的，并且一定是阻塞态；

死锁产生的四个必要条件

循环等待：存在一种进程资源的循环等待链

互斥资源：对互斥的资源的争夺

不剥夺条件：即资源只能由进程主动释放，不能被其他进程夺走；

请求和保存条件：进程已有一个或多个资源又提出新请求，但是无法获取而阻塞状态

什么时候会发生死锁？

对不可剥夺资源的不合理分配，可能导致死锁。

对互斥的系统资源的争夺

进程推进顺序非法，a和b并发，分别占1，2，又互相请求对方的资源

信号量使用不当，比如生产者消费者问题；或者有时，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。

死锁的几种场景：

忘记释放锁
重复加锁
多线程多锁，抢占锁资源

死锁问题代码举例：

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

// 创建2个互斥量
pthread_mutex_t mutex1, mutex2;

void * workA(void * arg) {

    pthread_mutex_lock(&mutex1);
    sleep(1);
    pthread_mutex_lock(&mutex2);

    printf("workA....\n");

    pthread_mutex_unlock(&mutex2);
    pthread_mutex_unlock(&mutex1);
    return NULL;
}


void * workB(void * arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex2);
    sleep(1);
    pthread_mutex_lock(&mutex1);

    printf("workB....\n");

    pthread_mutex_unlock(&mutex1);
    pthread_mutex_unlock(&mutex2);

    return NULL;
}

int main() {

    // 初始化互斥量
    pthread_mutex_init(&mutex1, NULL);
    pthread_mutex_init(&mutex2, NULL);

    // 创建2个子线程
    pthread_t tid1, tid2;
    pthread_create(&tid1, NULL, workA, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, workB, NULL);

    // 回收子线程资源
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);

    // 释放互斥量资源
    pthread_mutex_destroy(&mutex1);
    pthread_mutex_destroy(&mutex2);

    return 0;
}

上述代码sleep是为了产生死锁问题故意的，防止A或B逻辑操作过快无法产生死锁，代码主要是演示死锁问题的产生；

2、死锁问题的处理

在这里插入图片描述

死锁的预防

死锁的预防是保证系统不进入死锁状态的一种策略。它的基本思想是要求进程申请资源时遵循某种协议，从而打破产生死锁的四个必要条件中的一个或几个，保证系统不会进入死锁状态。

破坏互斥条件。即允许进程同时访问某些资源。但是，有的资源是不允许被同时访问的，像打印机等等，这是由资源本身的属性所决定的。所以，这种办法并无实用价值。
破坏不可剥夺条件。即允许进程强行从占有者那里夺取某些资源。就是说，当一个进程已占有了某些资源，它又申请新的资源，但不能立即被满足时，它必须释放所占有的全部资源，以后再重新申请。它所释放的资源可以分配给其它进程。这就相当于该进程占有的资源被隐蔽地强占了。这种预防死锁的方法实现起来困难，会降低系统性能。
破坏请求与保持条件。可以实行资源预先分配策略。即进程在运行前一次性地向系统申请它所需要的全部资源。如果某个进程所需的全部资源得不到满足，则不分配任何资源，此进程暂不运行。只有当系统能够满足当前进程的全部资源需求时，才一次性地将所申请的资源全部分配给该进程。由于运行的进程已占有了它所需的全部资源，所以不会发生占有资源又申请资源的现象，因此不会发生死锁。但是，这种策略也有如下缺点：
（1）在许多情况下，一个进程在执行之前不可能知道它所需要的全部资源。这是由于进程在执行时是动态的，不可预测的；
（2）资源利用率低。无论所分资源何时用到，一个进程只有在占有所需的全部资源后才能执行。即使有些资源最后才被该进程用到一次，但该进程在生存期间却一直占有它们，造成长期占着不用的状况。这显然是一种极大的资源浪费；
（3）降低了进程的并发性。因为资源有限，又加上存在浪费，能分配到所需全部资源的进程个数就必然少了。
破坏循环等待条件，实行资源有序分配策略。采用这种策略，即把资源事先分类编号，按号分配，使进程在申请，占用资源时不会形成环路。所有进程对资源的请求必须严格按资源序号递增的顺序提出。进程占用了小号资源，才能申请大号资源，就不会产生环路，从而预防了死锁。这种策略与前面的策略相比，资源的利用率和系统吞吐量都有很大提高，但是也存在以下缺点：
（1）限制了进程对资源的请求，同时给系统中所有资源合理编号也是件困难事，并增加了系统开销；
（2）为了遵循按编号申请的次序，暂不使用的资源也需要提前申请，从而增加了进程对资源的占用时间。

死锁的避免

上面我们讲到的死锁预防是排除死锁的静态策略，它使产生死锁的四个必要条件不能同时具备，从而对进程申请资源的活动加以限制，以保证死锁不会发生。下面我们介绍排除死锁的动态策略--死锁的避免，它不限制进程有关申请资源的命令，而是对进程所发出的每一个申请资源命令加以动态地检查，并根据检查结果决定是否进行资源分配。就是说，在资源分配过程中若预测有发生死锁的可能性，则加以避免。这种方法的关键是确定资源分配的安全性。

1.安全序列

我们首先引入安全序列的定义：所谓系统是安全的，是指系统中的所有进程能够按照某一种次序分配资源，并且依次地运行完毕，这种进程序列{P1，P2，...，Pn}就是安全序列。如果存在这样一个安全序列，则系统是安全的；如果系统不存在这样一个安全序列，则系统是不安全的。

安全序列{P1，P2，...，Pn}是这样组成的：若对于每一个进程Pi，它需要的附加资源可以被系统中当前可用资源加上所有进程Pj当前占有资源之和所满足，则{P1，P2，...，Pn}为一个安全序列，这时系统处于安全状态，不会进入死锁状态。　

虽然存在安全序列时一定不会有死锁发生，但是系统进入不安全状态（四个死锁的必要条件同时发生）也未必会产生死锁。当然，产生死锁后，系统一定处于不安全状态。

2.银行家算法

这是一个著名的避免死锁的算法，是由Dijstra首先提出来并加以解决的。　

背景知识

一个银行家如何将一定数目的资金安全地借给若干个客户，使这些客户既能借到钱完成要干的事，同时银行家又能收回全部资金而不至于破产，这就是银行家问题。这个问题同操作系统中资源分配问题十分相似：银行家就像一个操作系统，客户就像运行的进程，银行家的资金就是系统的资源。

问题的描述

一个银行家拥有一定数量的资金，有若干个客户要贷款。每个客户须在一开始就声明他所需贷款的总额。若该客户贷款总额不超过银行家的资金总数，银行家可以接收客户的要求。客户贷款是以每次一个资金单位（如1万RMB等）的方式进行的，客户在借满所需的全部单位款额之前可能会等待，但银行家须保证这种等待是有限的，可完成的。

银行家算法允许死锁必要条件中的互斥条件，占有且申请条件，不可抢占条件的存在，这样，它与预防死锁的几种方法相比较，限制条件少了，资源利用程度提高了。

这是该算法的优点。其缺点是：
〈1〉这个算法要求客户数保持固定不变，这在多道程序系统中是难以做到的。
〈2〉这个算法保证所有客户在有限的时间内得到满足，但实时客户要求快速响应，所以要考虑这个因素。
〈3〉由于要寻找一个安全序列，实际上增加了系统的开销。

死锁的检测与恢复

一般来说，由于操作系统有并发，共享以及随机性等特点，通过预防和避免的手段达到排除死锁的目的是很困难的。这需要较大的系统开销，而且不能充分利用资源。为此，一种简便的方法是系统为进程分配资源时，不采取任何限制性措施，但是提供了检测和解脱死锁的手段：能发现死锁并从死锁状态中恢复出来。因此，在实际的操作系统中往往采用死锁的检测与恢复方法来排除死锁。常利用资源分配图、进程等待图来协助这种检测。

死锁检测与恢复是指系统设有专门的机构，当死锁发生时，该机构能够检测到死锁发生的位置和原因，并能通过外力破坏死锁发生的必要条件，从而使得并发进程从死锁状态中恢复出来。一旦在死锁检测时发现了死锁，就要消除死锁，使系统从死锁状态中恢复过来。

最简单，最常用的方法就是进行系统的重新启动，不过这种方法代价很大，它意味着在这之前所有的进程已经完成的计算工作都将付之东流，包括参与死锁的那些进程，以及未参与死锁的进程。
撤消进程，剥夺资源。终止参与死锁的进程，收回它们占有的资源，从而解除死锁。这时又分两种情况：一次性撤消参与死锁的全部进程，剥夺全部资源；或者逐步撤消参与死锁的进程，逐步收回死锁进程占有的资源。一般来说，选择逐步撤消的进程时要按照一定的原则进行，目的是撤消那些代价最小的进程，比如按进程的优先级确定进程的代价；考虑进程运行时的代价和与此进程相关的外部作业的代价等因素。

此外，还有进程回退策略，即让参与死锁的进程回退到没有发生死锁前某一点处，并由此点处继续执行，以求再次执行时不再发生死锁。虽然这是个较理想的办法，但是操作起来系统开销极大，要有堆栈这样的机构记录进程的每一步变化，以便今后的回退，有时这是无法做到的。

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