线程同步

1、线程同步

1.1 线程同步概念

• 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（必须一口气执行完不能执行一半被中断），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。
• 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。

1.2 线程同步应用场景

/*
    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)
    {
        // 休眠1000微秒
        usleep(1000);
        printf("%ld 正在卖第 %d 张门票\n", pthread_self(), tickets);
        tickets--;
    }
    return NULL;
}

int main()
{

    // 吵创建3个子进程
    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;
}

• 可以看到出现了3个线程卖同一张票或者，出现负票的情况
• 卖同一张票： 几个线程都进入了循环，但是再执行到票数减少的语句前，线程切换执行，没有减少票数，导致说几个线程卖出了同一张票
• 负票：几个线程在还有票数时进入了循环，但是线程切换执行，导致票数减少到负，但是已经进入循环了，所以还是会卖出票

• 上面代码并不是说是因为加了休眠才会出现问题，只是加了休眠问题更明显，所以加了休眠，但是即使我们不加休眠就不会出问题，为了代码的健壮性，其实我们也应该考虑线程同步来解决上述问题

2、互斥锁

2.1 互斥量概念

• 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

2.2 互斥量函数

//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。如：
        pthread_mutex_t *restrict mutex = xxx;
        pthread_mutex_t * mutex1 = mutex; //这样是不可以的，因为mutex 已经被 restrict修饰

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，会接着执行之后的代码。
    - 如果加锁成功，会访问临界资源
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
    - 解锁

• 补充：pthread_mutex_trylock_有朋山人的博客-CSDN博客 (opens new window)

2.3 互斥量实现线程同步

//mutex.c

#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(全局变量)
pthread_mutex_t mutex;

void *sellticket(void *arg)
{
    // 卖票
    while (1)
    {
        // 加锁
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        // 下面的操作就是我们的临界区
        if (tickets > 0)
        {
            usleep(6000);
            printf("%ld 正在卖第 %d 张门票\n", pthread_self(), tickets);
            tickets--;
        }
        else
        {
            // 解锁（这里也必须解锁，不然如果直接就跳出来循环，会导致互斥量一直被占用，没有解锁）
            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);
    
    // 释放互斥量资源（join会阻塞，所以会等子进程都结束才释放）
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    
    pthread_exit(NULL); // 退出主线程
    return 0;
}

3、死锁

3.1 死锁概念

• 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
  • 多线程多锁，抢占锁资源

3.2 死锁产生场景

3.2.1 忘记释放锁

//mutex.c

void *sellticket(void *arg)
{
    // 卖票
    while (1)
    {
        // 加锁
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        // 下面的操作就是我们的临界区
        if (tickets > 0)
        {
            usleep(6000);
            printf("%ld 正在卖第 %d 张门票\n", pthread_self(), tickets);
            tickets--;
        }
        else
        {
            // 解锁（如果直接就跳出来循环，会导致互斥量一直被占用，没有解锁）
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            break;
        }
        // 解锁
        //pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return NULL;
}

• 上面代码运行结果为： 正在卖第 1000 张门票 如果就被阻塞了，因为它忘记解锁，再次执行就导致了重复加锁，所以线程被阻塞

3.2.2 重复加锁

void *sellticket(void *arg)
{
    // 卖票
    while (1)
    {
        // 加锁
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        // 下面的操作就是我们的临界区
        if (tickets > 0)
        {
            usleep(6000);
            printf("%ld 正在卖第 %d 张门票\n", pthread_self(), tickets);
            tickets--;
        }
        else
        {
            // 解锁（如果直接就跳出来循环，会导致互斥量一直被占用，没有解锁）
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            break;
        }
        // 解锁
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return NULL;
}

• 上面代码运行结果是直接被阻塞上面也没输出，因为重复加锁，导致了线程被阻塞

3.2.3 多线程多锁，抢占锁资源

#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");
    // 注意解锁顺序，先锁后解，后锁先解
    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); //会阻塞等待子进程结束
    pthread_join(tid2, NULL);

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

    return 0;
}

• 加sleep 是为了更好的表现出多线程多锁，抢占锁资源的效果，没有什么特殊含义
• 可以看到后面的执行就是产生了死锁

3.3 思考

• 为什么解锁顺序要先锁后解，后锁先解？

答：因为会给死锁创造条件，假设按照 加锁1-加锁2-解锁1-解锁2 的话，线程A在执行完解锁1时，可能线程B立刻执行加锁1，此时线程A持有互斥锁2，而线程B持有互斥锁1，这个时候就符合死锁的效果图？

4、读写锁

4.1 读写锁概念

• 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。

4.2 读写锁相关函数

    // 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);

//函数作用和参数含义基本和互斥锁差不多

4.3 代码案例

//rwlock.c
/*
    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_rwlock_t rwlock;
// pthread_mutex_t mutex;

void *writeNum(void *arg)
{

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

    return NULL;
}

void *readNum(void *arg)
{

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

    return NULL;
}

int main()
{
    // pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    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++)
    {
        // 这里最好还是用 join ，因为用detach的话是不阻塞的
        // 然后按下面终止主线程和释放锁的顺序，如果先终止，那释放就没执行
        // 如果先释放，那可能会因为子线程还没终止，却提前释放锁而出现问题（不是一定会出错）
        // 所以建议还是使用join比较好
        // 突然觉得这里也蛮奇怪的，因为子线程是死循环不会终止，如果用join那主线程也不会自动终止，而是在我们手动ctrl+c 终止子线程后才会终止
        pthread_detach(rtids[i]);
    }
    
    //看到后面知道了，老师解决上面问题的方法居然是用while不让主线程退出🤕🤕🤕，还是建议用join比较好
    while(1) {
        sleep(10);
    }
    
    

    pthread_exit(NULL);
	//先执行了 pthread_exit(NULL) 后面的语句相当于没执行，感觉老师这样写的顺序不对
    pthread_rwlock_destroy(&rwlock);
    // pthread_mutex_destroy(&mutex);

    return 0;
}

• 其实这里就是我们不是用的读写锁而是互斥锁，执行结果都是正确的，但是使用互斥锁的话，进行读取的线程并不是并发执行的，而是阻塞的，一个执行完解了锁，下一个才能执行。

5、生产者消费者模型

5.1 生产者消费者问题

• 系统中有一组生产者进程和一组消费者进程。生产者进程每次生产一个产品放入缓冲区，消费者进程每次从缓冲区中取出一个进程并使用，那么他们之间具有这样一层关系：
• 生产者、消费者共享一个初始为空、大小为n的缓冲区。
  • 只有缓冲区没满时，生产者才能把产品放入缓冲区。否则必须等待 (缓冲区没满->生产者生产)
  • 只有缓冲区不空时，消费者才能从中取出产品，否则必须等待 (缓冲区不空->消费者消费)
  • 缓冲区是临界资源，各进程访问时要求互斥 (互斥访问)

5.2 代码模拟

//prodcust.c
/*
    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>

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)
    {
        //这里用的是头插法
        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());
        usleep(100);
    }

    return NULL;
}

void *customer(void *arg)
{

    while (1)
    {
        // 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);
        usleep(100);
    }
    return NULL;
}

int main()
{

    // 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_exit(NULL);

    return 0;
}

• 这里编译生成 prodcust 可执行文件时记得加 -g 生成调试信息，不然我们没办法查看 core

• 查看 core：

  

• SIGSEGV ：可以看出进行了无效内存访问（段错误）

• 原因就是当我们链表被删除完后，就没有了head结点，所以生成线程执行到 head = head->next语句就出现了段错误

• 下面给出3种解决方法，注意下面3种方法都是需要用到互斥量或者与互斥量搭配使用

5.3 互斥锁解决方法

/*
    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);
        //这里用的是头插法
        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
       // 这样的写法的问题是，如果head == NULL，那么就会一直循环判断而不做其他事情，这样很浪费资源
        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;
}

• 只用互斥锁解决的写法的问题是：
  • 当缓冲区为空，不用条件变量时，消费者处于无意义的循环，此时只执行加锁和解锁，直到时间片完才发生线程切换，浪费cpu资源。而加入条件变量，一旦发现缓存区是空的，会立刻从运行态进入阻塞态，此时一定会发生线程切换，把cpu资源让出。互斥锁和条件变量都可以实现线程同步，但使用条件变量效率更高。

6、条件变量

6.1 条件变量函数

  //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。
        - 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。
    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

6.2 条件变量解决方法

//cond.c

#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
        //注意：signal是唤醒一个或者多个睡眠的线程，如果数据足够多，线程没有休眠，即使收到了信号也不会做任何的处理。
        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，当不阻塞的时候，继续向下执行，会重新加锁。
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
        }
    }
    return NULL;
}

int main()
{
	//初始化互斥锁和条件变量
    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;
}

• 使用条件变量就解决了我们只用互斥锁，导致的没有数据时，消费者一直重复循环判断，浪费资源的问题
• 注意：当线程执行到 pthread_cond_wait(&cond, &mutex)时，会对互斥锁进行解锁，这是生产者就可以继续生产，直到线程执行到 pthread_cond_signal(&cond) ，并且再执行 pthread_mutex_unlock(&mutex)解锁操作后，那么wait就取消阻塞的同时重新加锁，继续向下执行。

7、信号量

7.1 信号量函数

 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);
		- 如果是0的话阻塞多长时间
    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);

7.2 信号量使用伪代码

    sem_t psem; //生产者信号量
    sem_t csem;  //消费者信号量
    init(psem, 0, 8);  //给一个值就行
    init(csem, 0, 0);

    producer() {
        sem_wait(&psem);  //开始生产 ，一个生产者正在工作，所以生产信号 -1
        
        // 执行代码（生产）
        
        sem_post(&csem)  //生产结束 ，有一个产品可以消费 ，所以消费信号 +1
    }

    customer() {
        sem_wait(&csem);  //开始消费 ，一个消费者正在消费，所以消费信号 -1
        
        //执行代码（消费）
        
        sem_post(&psem)  //消费结束 ，空出空位给生产者进行生产，生产信号 +1
    }

7.3 信号量解决方法

//semaphore.c

#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;
}

• 信号量主要是阻塞线程但是不能保证数据的安全，为了保证数据安全信号量要和互斥锁一起使用（好比上面如果不用互斥锁，就可能会出现链表结点创建一半其他线程又抢占时间片，进行创建，这样就会导致链表出错）

7.4 生产消费正确运行

• 因为我们是头插法，删除也是从头节点开始删，所以会是上图的样子
• 个人感觉：（使用信号量的话，数据量就有了上限，使用条件变量的话，有些场景还是需要自己代码判断）