Unix/linux進程及線程間同步技術總結【學習總結，請勿吐槽。。。】

　　為允許線上程或進程間共用資料，同步通常是必須的。常見的同步方式有：互斥鎖、條件變數、讀寫鎖、訊號量。另外，對於進程間的同步，也可以通過處理序間通訊的方式進行同步，包括管道（無名管道、有名管道）、訊號量、訊息佇列、共用記憶體、遠端程序呼叫，當然也可以通過Socket來進行網路控制。

一.  互斥鎖和條件變數是同步的基本組成部分

　　互斥鎖和條件變數出自Posix.1線程標準，多用來同步一個進程中各個線程。但如果將二者存放在多個進程間共用的記憶體區中，它們也可以用來進行進程間的同步。

1. 互斥鎖用於保護臨界區，以保護任何時刻只有一個線程在執行其中的代碼，其大體輪廓大體如下：

　　lock_the_mutex(...);

　　臨界區

　　unlock_the_mutex(...);

　　下列三個函數給一個互斥鎖上鎖和解鎖：

　　#include <pthread.h>

　　int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mptr);　　//若不能立刻獲得鎖，將阻塞在此處

　　int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mptr);　　//若不能立刻獲得鎖，將返回EBUSY，使用者可以根據此傳回值做其他動作，非阻塞模式

　　int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mptr);　　//釋放鎖

　　互斥鎖通常用於保護由多個線程或多個進程分享的共用資料(Share Data)

2.  條件變數，它是發送訊號與等待訊號。互斥鎖使用者上鎖，條件變數則用於等待。一般來說，在一個進程/線程中調用pthread_cond_wait(..)等待某個條件的成立，此時該進程阻塞在這裡，另外一個進程/線程進行某種操作，當某種條件成立時，調用pthread_cond_signal(...)來發送訊號，從而使pthread_cond_wait(...)返回。此處要注意的是，這裡所談到的訊號，不是系統層級的SIGXXXX訊號，只是用訊號這個詞語更容易理解。條件變數與訊號量更接近或者就可以認為是訊號量。

　　下列兩個函數用來對條件變數進行控制：

　　#include <pthread.h>

　　int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cptr, pthread_mutex_t *mptr);

　　int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cptr);

　　由代碼我們可以看出，條件變數的使用是需要結合鎖機制的，即上面所提到的互斥鎖。也就是說，一個進程/線程要等到臨界區的共用資料達到某種狀態時再進行某種操作，而這個狀態的成立，則是由另外一個進程/線程來完成後發送訊號來通知的。

　　其實想一想，pthread_cond_wait函數也可以用一個while死迴圈來等待條件的成立，但要注意的是，使用while死迴圈會嚴重消耗CPU，而pthread_cond_wait則是採用線程睡眠的方式，它是一種等待模式，而不是一直的檢查模式。

　　總的來說，給條件變數發送訊號的代碼大體如下：

　　pthread_mutex_lock(&mutex);

　　設定條件為真

　　pthread_cond_signal(&cond);　　//發送訊號

　　pthread_mutex_unlock(&mutex);　　

　　等待條件並進入睡眠以等待條件變為真的代碼大體如下：

　　pthread_mutex_lock(&mutex);　

　　while(條件為假)

　　　　pthread_cond_wait(&cond,&mutex);　　

　　執行某種操作

　　pthread_mutex_unlock(&mutex);

　　在這裡需要注意的是，pthread_cond_wait(&cond,&mutex)是一個院子操作，當它執行時，首先對mutex解鎖，這樣另外的線程才能得到鎖來修改條件，pthread_cond_wait解鎖後，再將本身的線程/進程投入睡眠，另外，當該函數返回時，會再對mutex進行加鎖，這樣才能“執行某種操作”後unlock鎖。

二、 讀寫鎖

　　顧名思義，讀寫鎖也是一種鎖，他是在互斥鎖的基礎上進行了改進，當一個進程/線程獲得寫入鎖時，其他的進程/線程仍然可以獲得鎖，只不過獲得的是讀取鎖，因為一個進程/線程寫入，不影響其他進程/線程的讀操作。

 

三、 訊號量

　　英文：semaphore，它是一種專門用於提供不同進程間或線程間同步手段的原語。可以通過來理解它。

　　　　　　　　進程A                               進程B

　　　　　　　　　　\　　　　　　　　　　/

　　　　　進程　　　　\ 　　　　　　　　/

　　　　　　　　----------------------------------------------------

　　　　　核心　　　　　\　　　　　　/

　　　　　　　　　　　　　　訊號量

　　也就是說，訊號量是由核心來維護的，他獨立出進程。因此可以通過它來進行同步。

　　一般來說，是基於Posix有名訊號量，可以認為它是系統中的一個特殊檔案（因為在Linux中，一切都可以認為是檔案），因為在進程間的通訊、同步中用的比較多，如果是線程之間的同步，經常用基於Posix記憶體的訊號量。（基於記憶體的訊號量必須在建立時指定是否在進程間共用，有名訊號量隨核心有持久性，需手工刪除，而基於記憶體的訊號量具有隨進程的持久性）

　　對於訊號量的工作原理，其實和互斥鎖+條件變數相似。

　　主要函數有：sem_open、sem_close、sem_unlink，這裡要注意，close只是關閉訊號量，但並未從系統中刪除，而unlink是刪除該訊號量。

　　sem_wait和sem_trywait函數，他們和pthread_cond_wait功能相似，都是等待某個條件的成立，sem_wait和sem_trywait的區別是，當所指定的訊號量的值為0時，後者並不將調用者投入睡眠，而是立刻返回EAGAIN，即重試。

　　sem_post和sem_getvalue函數，sem_post將指定的訊號量加一，然後喚醒正在等待該訊號量值變為正數的任意線程。sem_getvalue是用來擷取當前訊號量值的函數。

 

總結：

　　互斥鎖、條件變數、訊號量三者的差別：

　　（1） 互斥鎖必須總是由給他上鎖的線程解鎖（因為此時其他線程根本得不到此鎖），訊號量沒有這種限制：一個線程等待某個訊號量，而另一個線程可以掛出該訊號量

　　（2）每個訊號量有一個與之關聯的值，掛出時+1，等待時-1，那麼任何線程都可以掛出一個訊號，即使沒有線程在等待該訊號量的值。不過對於條件變數來說，如果pthread_cond_signal之後沒有任何線程阻塞在pthread_cond_wait上，那麼此條件變數上的訊號丟失。

　　（3）在各種各樣的同步技巧中，能夠從訊號處理常式中安全調用的唯一函數是sem_post