C/C++语法｜pthread线程库的使用

Che3rry2024-05-29 21:13

笔记主要内容来自

爱编程的大柄--线程
爱编程的大柄--线程同步

在进入代码实践之前，我们应该搞清楚。

线程是成语的最小执行单位，进程是操作系统中最小的资源分配单位。

这样的话我们可以理解以下两点：

  • 同一地址空间中的多个线程独有的是：每个线程都有属于自己的栈区和寄存器（内核中管理的），寄存器主要记录的就是上下文
  • 共享的是：.text、.rodata、.data、.heap、.bss、文件描述符

关于线程个数的确定：

  1. 文件IO操作：文件IO对CPU是使用率不高, 因此可以分时复用CPU时间片, 线程的个数 = 2 * CPU核心数 (效率最高)
  2. 处理复杂的算法(主要是CPU进行运算, 压力大)，线程的个数 = CPU的核心数 (效率最高)

文章目录

1.线程创建

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

我们主要用到的就是第一个和第三个、第四个参数。

  • 第一个参数 如果线程创建成功，线程ID写入到该指针指向的内存
    pthread_t itd1; pthread_create(&tid1, ...)
  • 第二个参数是线程属性，一般为NULL
  • 第三个参数是线程函数，创建出的子线程的处理动作，也就是该函数在子线程中执行
  • 第四个参数作为实参传递到 start_routine指针指向的函数内部。可以传入一个函数指针等等作为线程的回调函数。

代码练习

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <pthread.h>

#include <unistd.h>

void* working(void* arg) {
    std::cout << "子线程" << pthread_self() << std::endl;
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        std::cout << "chiled say: " << i << std::endl;
    }
}

int main () {
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, NULL, working, NULL);
    
    sleep(1); //为啥这里一定要睡一会儿？
    std::cout << "parent say：" << tid << std::endl;
    return 0;
}
//输出：
子线程140470444414528
chiled say: 0
chiled say: 1
chiled say: 2
parent say：140470444414528

为什么主线程要sleep(1)呢？

因为主线程和子线程都是在抢CPU时间片，谁抢到谁干活，所以完全有可能子线程还没有抢到资源，主线程结束，那么整个进程就结束了，子线程根本就来不及干活。

我们这里也可以使用信号量，等子线程执行结束了，通知主线程，这里就涉及到线程间通信，后面会进行详细讲解。

2.线程退出

cpp 复制代码 
#include <pthread.h>
void pthread_exit(void *retval);

参数表示线程退出的时候携带的数据，当前子线程的主线程会得到该数据。如果不需要使用，指定为NULL（这是重点，因为我们C++中的没有这个功能）

主线程可以调用退出函数退出，但是地址空间不会被释放。

子线程调用退出函数退出，一般目的是带出一些有价值的数据。

主线程调用退出函数

cpp 复制代码 
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

void* child_thread(void* arg) {
    sleep(1);
    printf("Child thread is running.\n");
    // 子线程执行一些工作
    pthread_exit(NULL); // 正常退出子线程
}

int main() {
    pthread_t tid;
    // 创建子线程
    if (pthread_create(&tid, NULL, child_thread, NULL) != 0) {
        perror("Failed to create thread");
        return 1;
    }

    // 主线程立即退出，子线程继续运行
    printf("Main thread is exiting.\n");
    pthread_exit(NULL);

    return 0; // 这行代码不会执行，因为主线程已经退出
}

在这里我们可以发现主线程在创建子线程后立即退出，而子线程在继续执行。

但是我们一般不会这样调用函数，因为一般认为主线程的退出就代表程序执行结束。

要注意的是：

即使主线程通过调用 pthread_exit 退出，子线程也不会变成新的主线程。在 POSIX 线程（pthread）模型中，当主线程退出时，它创建的所有子线程仍然继续执行，直到它们自己结束或被其他线程终止。

子线程调用退出函数

如果子线程退出想往外面传递什么参数，也是配合pthread_join()一起使用，它的作用是等待子线程结束，并且获取返回状态：

cpp 复制代码 
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void* child_thread(void* arg) {
    int* data = (int*)arg;
    printf("Child thread is processing data.\n");
    // 模拟计算
    *data = 42;
    pthread_exit(data); // 子线程结束，并返回数据指针
}

int main() {
    pthread_t tid;
    int result;

    // 分配内存用于存储子线程的结果，该数据位于堆上
    int* data = (int*)malloc(sizeof(int));


    // 创建子线程
    pthread_create(&tid, NULL, child_thread, data);

	//主线程在干自己的任务，把修改data数据的任务交给了子线程

    // 等待子线程结束，并获取返回状态
    pthread_join(tid, (void**)&data);


    // 检查子线程的返回值
    if (data != NULL) {
        printf("Child thread returned: %d\n", *data);
        free(data);
    } else {
        printf("Child thread failed to return data.\n");
        free(data);
    }

    return 0;
}

3.线程回收

在刚才我们已经初步认识了线程回收函数：pthread_join()，这个函数是一个阻塞函数，如果还有子线程在运行，调用该函数就会阻塞，子线程退出函数解除阻塞进行资源的回收，函数被调用一次，只能回收一个子线程，如果有多个子线程则需要循环进行回收。

cpp 复制代码 
#include <pthread.h>
// 这是一个阻塞函数, 子线程在运行这个函数就阻塞
// 子线程退出, 函数解除阻塞, 回收对应的子线程资源, 类似于回收进程使用的函数 wait()
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
pthread_join(tid, (void**)&data);
  • thread: 要被回收的子线程的线程ID
  • retval: 二级指针, 指向一级指针的地址, 这个地址中存储了pthread_exit() 传递出的数据，如果不需要这个参数，可以指定为NULL

现在我们来系统描述一下针对回收子线程数据的线程回收技术吧！

使用主线程栈

在上面子线程调用退出函数部分，我们就是使用的主线程栈上的数据，传递给子线程处理该数据，然后我们主线程在干自己的任务，把修改data数据的任务交给了子线程，最后阻塞在pthread_join()检查子线程活干的咋样。

使用子线程堆区

你觉得可以使用子线程栈区的数据然后回传吗？肯定是不行的，因为栈区数据在线程退出后会被销毁。子线程返回的指针将指向一个无效的内存地址，导致未定义行为。所以我们可以在子线程上堆区分配内存，然后把数据交给主线程：

cpp 复制代码 
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string>
#include <iostream>

void* child_thread(void* arg) {
    std::string* str = new std::string("hello world"); // 在堆上分配内存
    pthread_exit((void*)str); // 返回指向堆上字符串的指针
}

int main() {
    pthread_t tid;

    // 创建子线程
    pthread_create(&tid, NULL, child_thread, NULL);

    void* ptr = nullptr;

    //主线程执行自己的业务逻辑，把写一个hello world字符串的任务交给子线程

    // 等待子线程结束，并获取返回状态
    pthread_join(tid, &ptr);

    // 将void*指针转换为std::string*指针，并打印字符串
    std::string* str_ptr = static_cast<std::string*>(ptr);
    std::cout << *str_ptr << std::endl;

    // 释放堆上分配的内存
    delete str_ptr;

    return 0;
}

使用全局变量

在文章开篇我们就说过，主线程和子线程是共享.text、.rodata、.data、.heap、.bss和文件描述符的。所以子线程操作全局变量，然后把修改好的值传回给主线程当然也是允许的，具体实验请读者自己设计一个吧

4.线程分离

之前我们说过 pthread_join() 是一个阻塞函数，只要子线程不退出主线程会被一直阻塞，但是主线程有自己的业务逻辑要去执行，那应该怎么办呢？

这就涉及到我们的线程分离函数pthread_detach()上场了。

调用这个函数之后指定的子线程就可以和主线程分离，当子线程退出的时候，其占用的内核资源就被系统的其他进程接管并回收了。线程分离之后在主线程中使用pthread_join()就回收不到子线程资源了。

其实也就是父子线程各干各的了：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

void* working(void *arg) {
    for (int i = 0; i < 10; i ++) {
        std::cout << "child say: "  << i << std::endl;
    }
}

int main () {
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, NULL, working, NULL);

    //子线程与主线程分离
    pthread_detach(tid);

    //主线程执行自己的逻辑
    for (int i = 100; i < 110; i++) {
        std::cout << "parent say: " << i << std::endl;
    }
    
    std::cout << "task done!!!" << std::endl;

    return 0;
}

线程分离技术一般用在什么情况下？

  1. 简单的后台任务
    当子线程执行的是一个简单的、短暂的后台任务，而主线程不需要等待该子线程完成，也不需要获取子线程的返回值时，线程分离技术可以很方便地使用。
  2. 长期运行的任务
    当子线程需要执行一个长期运行的任务，而主线程不需要等待它完成，这种情况下也可以使用线程分离。这样主线程可以继续执行其他任务，而不必被子线程的运行时间所阻碍。
  3. 不可预测的结束时间
    当子线程的结束时间不可预测，主线程不能在合理的时间内使用pthread_join等待子线程结束时，线程分离技术也很有用。这样可以避免主线程长时间等待，导致资源

⭐️5.线程同步(或者叫线程间通信？)

由于线程的运行顺序是由操作系统的调度算法决定的，谁也不知道哪个线程先执行哪个后执行，所以我们必须使用线程同步技术来管理相关的资源。

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。

每一个环节我都会给定一个题目，先给出实现代码，随后讲解相关的知识。

互斥锁

互斥锁就不赘述了，主要就是对于一个共享资源必须加锁，不然有可能出现资源错乱的问题。

cpp 复制代码 
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

// 定义一个互斥锁
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

// 共享数据
int shared_data = 0;

// 线程函数
void* thread_function(void* arg) {
    // 锁定互斥锁
    pthread_mutex_lock(&mutex);

    // 对共享数据进行操作
    shared_data++;

    // 打印共享数据
    printf("Thread %ld - shared_data: %d\n", pthread_self(), shared_data);

    // 解锁互斥锁
    pthread_mutex_unlock(&mutex);

    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t tid1, tid2;

    // 创建两个线程
    pthread_create(&tid1, NULL, thread_function, NULL);

    pthread_create(&tid2, NULL, thread_function, NULL);


    // 等待线程结束
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);

    // 销毁互斥锁
    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    return 0;
}

它的用法也比较简单，首先想要使用互斥锁必须先完成初始化，
pthread_mutex_init()的第二个参数表示互斥锁属性，一般写NULL。

使用完之后记得销毁，销毁时传入的是互斥锁所在的地址，在调用的时候也是传入地址。

读写锁

读写锁允许多个线程同时获取读锁（只要没有线程持有写锁），但写锁是排他的，其他线程必须等待写锁释放后才能获取读锁或写锁。

示例代码如下：我们定义两个读线程，一个写线程。

cpp 复制代码 
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

// 定义一个读写锁
pthread_rwlock_t rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;

// 共享数据
int shared_data = 0;

// 读取共享数据的线程函数
void* reader(void* arg) {
    (void)arg; // 未使用的参数

    // 读取锁
    pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
    printf("Reader: shared_data = %d\n", shared_data);
    // 释放读取锁
    pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

    return NULL;
}

// 写入共享数据的线程函数
void* writer(void* arg) {
    (void)arg; // 未使用的参数

    // 写入锁
    pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
    
    // 修改共享数据
    shared_data++;
    printf("Writer: updated shared_data to %d\n", shared_data);
    
    // 释放写入锁
    pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t r1, r2, w1;

    // 创建读者线程
    pthread_create(&r1, NULL, reader, NULL);
    
    // 创建另一个读者线程
    pthread_create(&r2, NULL, reader, NULL);

    // 等待读者线程完成
    pthread_join(r1, NULL);
    pthread_join(r2, NULL);

    // 创建写入者线程
    pthread_create(&w1, NULL, writer, NULL);

    // 等待写入者线程完成
    pthread_join(w1, NULL);

    // 销毁读写锁
    pthread_rwlock_destroy(&rwlock);

    return 0;
}

它的使用和互斥锁是一模一样的，值不过多了读取锁和写入锁的调用，释放锁都是一样的：

cpp 复制代码 
// 读取锁
pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
// 写入锁
pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
//释放读取锁或者写入锁
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

⭐️条件变量

学完条件变量，我们就可以实现所谓的"线程依次执行"。

整个使用方法如下：

cpp 复制代码 
#include <pthread.h>
//定义条件变量类型变量
pthread_cond_t cond;

//初始化
//第一个传参&cond
//第二个参数为条件变量属性，一般使用默认属性，指定为NULL
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, NULL) 
//释放资源
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

//线程阻塞函数：它的工作流程如下
//1. 释放与条件变量cond关联的互斥锁mutex
//2. 之后，调用线程会被阻塞，并从运行状态中移除，进入等待条件变量的状态。
//3. 直到另一个线程执行了对应的 pthread_cond_signal 或 pthread_cond_broadcast 操作来唤醒它
//4. 被唤醒后重新获取互斥锁
//5.解除阻塞
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond
	, pthread_mutex_t *restrict mutex);
	
//有超时时间的线程阻塞函数，时间到达之后，解除阻塞
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond
	, pthread_mutex_t *restrict mutex
	, const struct timespec *restrict abstime);

// 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);

这里的案例就使用我们经典的生产者单消费者模型

这里有三个生产者、三个消费者，生产者只生产50个商品，如果当前生产者发现任务队列有超过10个商品，生产者休息，如果消费者消费完了，消费者阻塞，通知生产者生产，生产者生产

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>

// 链表的节点
struct Node
{
    int number;
    struct Node* next;
};

// 定义条件变量, 控制消费者线程
pthread_cond_t cond;
// 互斥锁变量
pthread_mutex_t mutex;
// 指向头结点的指针
struct Node * head = NULL;

void* producer(void *arg) {
    while(1) {
        //模拟生产时间
        sleep(rand() % 3); 

        pthread_mutex_lock(&mutex);

        Node* pnew = (struct Node*)malloc(sizeof(Node));
        pnew->number = rand() % 1000;
        pnew->next = head; 
        head = pnew;

        printf("producer, number = %d, tid=%ld\n"
            , pnew->number
            , pthread_self());
        
        pthread_mutex_unlock(&mutex);

        //生产了任务，通知消费者消费
        pthread_cond_broadcast(&cond);
    }
    return nullptr;
}

void* consumer(void *arg) {
    while(1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        
        while(head == nullptr) {
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
        }
        //消费过程
        Node* pnode = head;
        printf("consumer, number = %d, tid = %ld\n"
            , pnode->number
            , pthread_self());
        head = pnode->next;
        free(pnode);

        pthread_mutex_unlock(&mutex);

        //模拟消费时间
        sleep(rand() % 3);
    }
    return nullptr;
}


int main()
{
    pthread_cond_init(&cond, nullptr);
    pthread_mutex_init(&mutex, nullptr);

    //创建5个生产者，5个消费者
    pthread_t ptid[5];
    pthread_t ctid[5];

    //启动线程
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_create(&ptid[i], nullptr, producer, nullptr);
    }

    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_create(&ptid[i], nullptr, consumer, nullptr);
    }

    //释放资源
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_join(ptid[i], nullptr);
    }

    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_join(ctid[i], nullptr);
    }

    //销毁互斥锁和条件变量
    pthread_cond_destroy(&cond);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
}

⭐️信号量

信号量用在多线程多任务同步的，一个线程完成了某一个动作就通过信号量告诉别的线程，别的线程再进行某些动作。信号量不一定是锁定某一个资源，而是流程上的概念，比如：有A，B两个线程，B线程要等A线程完成某一任务以后再进行自己下面的步骤，这个任务并不一定是锁定某一资源，还可以是进行一些计算或者数据处理之类。

强调！！！

信号量主要用来阻塞线程，不能保证线程安全，如果要保证线程安全，需要信号量和互斥锁一起使用！

如果五个线程同时被阻塞在sem_wait(&sem)，有一个线程调用了sem_post(&sem)，很可能多个线程同时解除阻塞！

cpp 复制代码 
#include <semaphore.h>
//定义变量
sem_t sem;

//初始化
// pshared = 0 线程同步
// pshared 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。
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsighed int val);
//释放资源
int sem_destroy(sem_t *sem);

//线程阻塞函数:如果资源数被耗尽，则函数阻塞
// 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);

//如果资源被耗尽，直接返回错误号，用于处理获取资源失败之后的情况
int sem_trywait(sem_t *sem);

//超时阻塞：就算被阻塞了，超过某时间解除阻塞
int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);

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

这里给一个简单的使用案例：

该代码可以清晰查看sem_wait和sem_post的行为

cpp 复制代码 
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

#define MAXNUM 2
sem_t semPtr;
pthread_t a_thread, b_thread, c_thread;
int g_phreadNum = 1;

void *func1(void *arg) {
    sem_wait(&semPtr);
    printf("a_thread get a semaphore \n");
    sleep(5);
    sem_post(&semPtr);
    printf("a_thread release semaphore \n");
}

void *func2(void *arg) {
    sem_wait(&semPtr);
    printf("b_thread get a semaphore \n");
    sleep(5);
    sem_post(&semPtr);
    printf("b_thread release semaphore \n");
}

void *func3(void *arg) {
    sem_wait(&semPtr);
    printf("c_thread get a semaphore \n");
    sleep(5);
    sem_post(&semPtr);
    printf("c_thread release semaphore \n");
}

int main() {
    int taskNum;

    // 创建2个信号量
    sem_init(&semPtr, 0, MAXNUM);
    //线程1获取1个信号量，5秒后释放
    pthread_create(&a_thread, NULL, func1, NULL);
    //线程2获取1个信号量，5秒后释放
    pthread_create(&b_thread, NULL, func2, NULL);

    sleep(1);
    //线程3获取信号量，只有线程1或者线程2释放后，才能获取到
    pthread_create(&c_thread, NULL, func3, NULL);
    sleep(10);
    //销毁信号量
    sem_destroy(&semPtr);
    return 0;
}
  1. 互斥锁：防止多个线程同时访问某个特定的资源或代码段。
  2. 同步：协调多个线程的执行顺序，确保它们按正确的顺序执行。
  3. 限制资源的并发访问数量：控制同时访问某些资源（如数据库连接、文件句柄等）的线程数量。
  4. 线程池管理：管理线程池中的线程数量，以及任务队列中的待处理任务数量。

信号量实现生产者、消费者模型

场景描述：使用信号量实现生产者和消费者模型，生产者有5个，往链表头部添加节点，消费者也有5个，删除链表头部的节点。

总资源数为1

如果生产者和消费者使用的信号量总资源数为1，那么不会出现生产者线程和消费者线程同时访问共享资源的情况，不管生产者和消费者线程有多少个，它们都是顺序执行的。

主要执行的逻辑就是，定义生产者信号量和消费者信号量两个信号量，他们一共只持有1个资源。在生产者生产完之后，给消费者增加一个资源，消费者消费完了给生产者增加一个资源

所以本节完全可以不使用互斥锁

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <semaphore.h>
#include <pthread.h>

// 链表的节点
struct Node
{
    int number;
    struct Node* next;
};

// 生产者线程信号量
sem_t psem;
// 消费者线程信号量
sem_t csem;

// 指向头结点的指针
struct Node * head = NULL;

// 生产者的回调函数
void* producer(void* arg)
{
    // 一直生产
    while(1)
    {
        // 生产者拿一个信号量
        sem_wait(&psem);
		//生产过程
        struct Node* pnew = (struct Node*)malloc(sizeof(struct Node));
        pnew->number = rand() % 1000;
        pnew->next = head;
        head = pnew;
        printf("+++producer, number = %d, tid = %ld\n", pnew->number, pthread_self());
        // 通知消费者消费, 给消费者加一个信号量
        sem_post(&csem);
        // 生产慢一点
        sleep(rand() % 3);
    }
    return NULL;
}

// 消费者的回调函数
void* consumer(void* arg)
{
    while(1)
    {
        sem_wait(&csem);
        // 取出链表的头结点, 将其删除
        struct Node* pnode = head;
        printf("--consumer: number: %d, tid = %ld\n", pnode->number, pthread_self());
        head  = pnode->next;
        free(pnode);
        // 通知生产者生成, 给生产者加信号灯
        sem_post(&psem);

        sleep(rand() % 3);
    }
    return NULL;
}

int main()
{
    // 初始化信号量
    // 生产者和消费者拥有的信号灯的总和为1
    sem_init(&psem, 0, 1);  // 生产者线程一共有1个信号灯
    sem_init(&csem, 0, 0);  // 消费者线程一共有0个信号灯

    // 创建5个生产者, 5个消费者
    pthread_t ptid[5];
    pthread_t ctid[5];
    for(int i=0; i<5; ++i)
    {
        pthread_create(&ptid[i], NULL, producer, NULL);
    }

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

    // 释放资源
    for(int i=0; i<5; ++i)
    {
        pthread_join(ptid[i], NULL);
    }

    for(int i=0; i<5; ++i)
    {
        pthread_join(ctid[i], NULL);
    }

    sem_destroy(&psem);
    sem_destroy(&csem);

    return 0;
}

该代码有一个很大的问题，就是可能出现连续多个生产者生产，这是不应该发生的。这是为什么呢？百思不得其解。

总资源数大于1

如果生产者和消费者线程使用的信号量对应的总资源数为大于1，这种场景下出现的情况就比较多了：

  • 多个生产者线程同时生产
  • 多个消费者同时消费
  • 生产者线程和消费者线程同时生产和消费

所以说这个时候就会产生数据竞争了

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <semaphore.h>
#include <pthread.h>

// 链表的节点
struct Node
{
    int number;
    struct Node* next;
};

// 生产者线程信号量
sem_t psem;
// 消费者线程信号量
sem_t csem;

// 互斥锁变量
pthread_mutex_t mutex;
// 指向头结点的指针
struct Node * head = NULL;

// 生产者的回调函数
void* producer(void* arg)
{
    // 一直生产
    while(1)
    {
        // 生产者拿一个信号灯
        sem_wait(&psem);
        // 加锁, 这句代码放到 sem_wait()上边, 有可能会造成死锁
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        // 创建一个链表的新节点
        struct Node* pnew = (struct Node*)malloc(sizeof(struct Node));
        // 节点初始化
        pnew->number = rand() % 1000;
        // 节点的连接, 添加到链表的头部, 新节点就新的头结点
        pnew->next = head;
        // head指针前移
        head = pnew;
        printf("+++producer, number = %d, tid = %ld\n", pnew->number, pthread_self());
        pthread_mutex_unlock(&mutex);

        // 通知消费者消费
        sem_post(&csem);
        
        // 生产慢一点
        sleep(rand() % 3);
    }
    return NULL;
}

// 消费者的回调函数
void* consumer(void* arg)
{
    while(1)
    {
        sem_wait(&csem);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        struct Node* pnode = head;
        printf("--consumer: number: %d, tid = %ld\n", pnode->number, pthread_self());
        head  = pnode->next;
        // 取出链表的头结点, 将其删除
        free(pnode);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        // 通知生产者生成, 给生产者加信号灯
        sem_post(&psem);

        sleep(rand() % 3);
    }
    return NULL;
}

int main()
{
    // 初始化信号量
    sem_init(&psem, 0, 5);  // 生成者线程一共有5个信号灯
    sem_init(&csem, 0, 0);  // 消费者线程一共有0个信号灯
    // 初始化互斥锁
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    // 创建5个生产者, 5个消费者
    pthread_t ptid[5];
    pthread_t ctid[5];
    for(int i=0; i<5; ++i)
    {
        pthread_create(&ptid[i], NULL, producer, NULL);
    }

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

    // 释放资源
    for(int i=0; i<5; ++i)
    {
        pthread_join(ptid[i], NULL);
    }

    for(int i=0; i<5; ++i)
    {
        pthread_join(ctid[i], NULL);
    }

    sem_destroy(&psem);
    sem_destroy(&csem);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    return 0;
}
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