Linux 之【多线程】（死锁、同步与竞态条件、条件变量、pthread_cond_xxx、POSIX信号量、sem_xxx）

互斥条件 ：一个资源一次只能被一个执行流使用；资源具有排他性，无法共享（资源独占）
请求与保持条件 ：执行流在持有至少一个资源的同时，又请求新的资源；当请求的资源被其他执行流占用时，该进程会被阻塞，但不会释放已持有的资源（拿着碗里的，看着锅里的）
不剥夺条件 ：执行流已获得的资源在未使用完毕前，不能被系统或其他执行流强制剥夺；只能由该执行流主动释放资源（不能强行抢走）
循环等待条件 ：存在一个执行流资源的循环等待链；每个执行流都在等待下一个执行流所占用的资源（A等B，B等A（或A->B->C->A））

预防与处理死锁

理论上的预防方法（破坏必要条件）：

破坏互斥条件：使资源可共享（但许多资源本质上是不可共享的，所以一般不可取）
破坏请求与保持条件：一次性分配资源策略或申请失败则释放所有资源（避免饥饿问题）
破坏不剥夺条件：允许系统强制剥夺资源
破坏循环等待条件：采用有序资源分配法

编程实践中的具体技巧：

加锁顺序一致：多个线程按相同顺序获取锁（这是有序资源分配的实现）
使用RAII机制：确保异常情况下锁能被释放
设置超时：避免无限期等待

系统层面的处理策略：

死锁检测与恢复：定期检查并采取措施恢复（执行流回退、终止等）
死锁避免算法：如银行家算法（运行时动态决策）（了解）

2.同步与竞态条件

同步是一种在保证数据安全的前提下，让执行流按照某种特定的顺序访问临界资源的机制
它不仅保证互斥（数据安全），还保证协作（如条件满足才执行）
互斥是同步的一种特殊形式（只保证安全，不一定保证顺序），但同步包含互斥
合理的同步策略可以解决单纯互斥可能导致的资源分配不均、执行流饥饿等问题。反之会加剧死锁或饥饿风险
同步的基本思想是：执行流先竞争 访问临界资源的资格（竞争锁、信号量），然后再根据资源状态决定是立即访问还是排队等待

下面介绍两种实现同步机制的工具：条件变量与信号量

竞态条件是指多个执行流并发访问和操作共享资源时，由于执行顺序的不确定性，导致程序最终结果依赖于执行流相对时序的一种错误状态。其发生需要三个必要条件：存在共享资源、多个执行流并发访问、且至少一个执行流修改资源。竞态条件的根本原因是操作的非原子性------多个执行流的"读-改-写"等复合操作可能被交错执行，导致最终状态不符合预期，表现为数据不一致、程序崩溃或安全漏洞等问题
互斥管的是能不能同时做（权限）；同步管的是什么时候能做（时机）

竞态条件VS死锁

特性	竞态条件 (Race Condition)	死锁 (Deadlock)
本质	执行顺序不确定导致结果错误	互相等待导致无法推进
是否阻塞	不一定阻塞，可能跑完了但结果是错的	一定阻塞，进程/线程卡死
必要条件	共享+并发+写	互斥+请求保持+不可剥夺+循环等待
修复手段	加锁、原子操作、不可变对象	破坏死锁的四个必要条件之一

关键区别 ：竞态条件是**"乱"** （结果不可控），死锁是**"僵"**（进度卡死）

3.条件变量

条件变量 是一种执行流同步机制，它允许执行流在某个共享条件不满足时主动等待，直到其他执行流改变该条件并通知它（条件变量通常与互斥锁配合使用，本身不具备互斥能力）

3.1条件变量的核心思想

传统互斥的问题 ：如果只用锁，执行流A拿不到锁只能死等（阻塞）或者自旋（空转CPU）。它不知道为什么 拿不到，也不知道什么时候 能拿到

条件变量引入了**"状态检查 + 主动休眠 + 通知唤醒"** 的三元组机制，必须与互斥锁配合使用

（1）执行流先检查状态（2）如果条件不满足：执行流原子地释放当前持有的锁 + 将自身挂起（睡眠）并注册一个"叫醒服务"（3）如果条件满足：执行流继续执行（4）当其他执行流改变了状态：它发出信号，唤醒那个正在睡觉的线程。
条件变量是一种"让执行流在条件不满足时智能睡眠、在条件满足时被精准叫醒"的机制，它通过"释放锁+睡眠"的原子操作，解决了传统互斥锁"盲等"导致的CPU浪费等问题

pthread_cond_t

特性	描述
头文件	`<pthread.h>`
类型定义	`typedef .... pthread_cond_t`
本质	POSIX线程条件变量，用于线程间同步
配合机制	必须与互斥锁(pthread_mutex_t)配合使用

pthread_cond_init

项目	说明
函数原型	`int pthread_cond_init(pthread_cond_t restrict cond, const pthread_condattr_t restrict attr);`
参数	`cond`: 指向要初始化的条件变量指针 `attr`: 条件变量属性，通常置为NULL使用默认属性
返回值	成功返回`0` 失败返回错误码
核心功能	动态初始化条件变量
使用要点	1. 也可使用静态初始化宏：PTHREAD_COND_INITIALIZER 2. `attr`参数用于设置高级属性（如进程共享），通常不需要 3. 必须在条件变量使用前调用

复制代码

// 静态初始化（编译时初始化）
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

适用于全局或静态条件变量，不需要调用pthread_cond_destroy

pthread_cond_destroy

项目	说明
函数原型	`int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);`
参数	`cond`: 指向要销毁的条件变量指针
返回值	成功返回`0` 失败返回错误码
核心功能	释放条件变量占用的系统资源
使用要点	1. 前提条件：没有执行流正在或即将等待此条件变量 2. 销毁后不可再使用该条件变量 3. 对于静态初始化的条件变量，无需调用此函数

pthread_cond_wait

项目	说明
函数原型	`int pthread_cond_wait(pthread_cond_t restrict cond, pthread_mutex_t restrict mutex);`
参数	`cond`: 要等待的条件变量 `mutex`: 调用执行流已持有的互斥锁
返回值	成功返回`0` 失败返回错误码
核心功能	使线程等待条件变量满足
使用要点	1. 原子性三步操作：释放互斥锁→执行流挂起→唤醒后重新加锁 2. 必须与互斥锁配合使用 3. 调用前执行流必须已持有mutex锁 4. 应使用while循环检查条件，防止虚假唤醒

调用执行流 必须已经持有mutex参数指向的互斥锁，函数内部会自动释放和重新获取该锁
pthread_cond_wait需要互斥量的核心原因：保证条件检查与线程挂起这两个操作的原子性

如果不配合互斥锁，会出现以下竞态条件：执行流A检查条件发现不满足，在它准备挂起自己之前，执行流B可能已经修改了条件并发送了唤醒信号，这个信号就会被丢失。等到执行流A真正挂起后，它将永远等不到唤醒信号。互斥锁通过确保"检查条件"和"进入等待"这两个操作在锁的保护下作为一个原子操作执行，从而避免了这种信号丢失问题，同时也保证了共享条件状态在检查和修改时的一致性

复制代码

// 标准等待模式：
pthread_mutex_lock(&mutex);
while (条件不满足) {          // 必须用while，不能用if
    pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}
// 执行操作...
pthread_mutex_unlock(&mutex);
// 给条件发送信号代码：
pthread_mutex_lock(&mutex);
设置条件为真
pthread_cond_signal(cond);
pthread_mutex_unlock(&mutex);

为了防止虚假唤醒导致程序逻辑错误，必须使用while循环而非if语句 。虚假唤醒是指执行流在没有收到显式唤醒信号的情况下从pthread_cond_wait返回，可能由操作系统实现、信号中断或pthread_cond_broadcast唤醒所有线程等多种原因引起。使用while循环可以确保每次被唤醒后都重新检查条件是否真正满足：如果条件仍然不满足，线程会继续等待；只有条件确实满足时，线程才会退出循环执行后续操作。这种"重新验证"机制是条件变量正确性的关键保障

pthread_cond_signal

项目	说明
函数原型	`int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);`
参数	`cond`: 要发送信号的条件变量
返回值	成功返回`0` 失败返回错误码
核心功能	唤醒至少一个等待该条件变量的线程
使用要点	1. 如果没有等待执行流，信号被忽略 2. 通常在修改条件后调用 3. 唤醒哪个执行流不确定（由系统调度决定） 4. 可在持有或不持有互斥锁的情况下调用

pthread_cond_signal：当只有一个等待线程能处理条件变化时使用

pthread_cond_broadcast：当多个等待线程都能处理，或不确定哪个应该处理时使用

pthread_cond_broadcast

项目	说明
函数原型	`int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);`
参数	`cond`: 要广播信号的条件变量
返回值	成功返回`0` 失败返回错误码
核心功能	唤醒所有等待该条件变量的线程
使用要点	1. 执行流被唤醒后竞争互斥锁 2. 适用于多个执行流都能处理条件变化的情况 3. 性能开销通常大于signal 4. 常见使用场景：资源可用性变化影响多个执行流时

4.POSIX信号量

信号量的本质

计数器机制：信号量本质是一个非负整数计数器

间接资源判断：申请信号量时，通过计数器值间接判断资源是否就绪

资源管理分离：信号量只管理资源数量，具体访问哪个资源由程序员控制

与System V信号量的对比

特性	POSIX信号量	System V信号量
应用范围	主要用于线程间，也可用于进程间	主要用于进程间
接口风格	函数式接口（`sem_xxx`）	系统调用式
性能	通常更轻量、更快	稍重，但功能更丰富
标准	POSIX标准，更现代	UNIX传统，广泛支持
持久性	无名信号量内存驻留，命名信号量文件系统持久	内核持久

POSIX信号量核心函数

sem_t

特性	描述
头文件	`<semaphore.h>`
类型定义	`typedef .... sem_t`
本质	POSIX计数信号量，用于线程/进程同步
核心特性	原子计数器，可用于资源管理和同步

sem_init-初始化信号量

项目	说明
函数原型	`int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);`
头文件	`#include <semaphore.h>`
参数	sem: 指向要初始化的信号量指针 pshared: 共享标志 value: 信号量初始值
参数详解	pshared: • 0 - 线程间共享（同一进程内） • 非0 - 进程间共享（需要共享内存） value: 可用资源的初始数量
返回值	成功返回 `0` 失败返回 `-1` 并设置 `errno`
核心功能	动态初始化一个无名信号量
使用注意	1. 无名信号量，生命周期与所在内存区域绑定 2. 进程间共享时，信号量必须位于共享内存区域 3. 对于线程间共享的简单场景，通常用互斥锁更合适

sem_destroy-销毁信号量

项目	说明
函数原型	`int sem_destroy(sem_t *sem);`
头文件	`#include <semaphore.h>`
参数	`sem`: 指向要销毁的信号量指针
返回值	成功返回 `0` 失败返回 `-1` 并设置 `errno`
核心功能	销毁已初始化的无名信号量，释放相关资源
使用注意	1. 确保没有线程/进程在等待该信号量 2. 销毁后不可再使用该信号量 3. 静态初始化的信号量无需销毁 4. 命名信号量使用 `sem_close()` 和 `sem_unlink()` 替代

sem_wait-P操作（等待/申请）

项目	说明
函数原型	`int sem_wait(sem_t *sem);`
头文件	`#include <semaphore.h>`
参数	`sem`: 指向要等待的信号量指针
返回值	成功返回 `0` 失败返回 `-1` 并设置 `errno`
核心功能	申请信号量，执行P操作（等待/减1）
操作机制	1. 计数器值 > 0 : 立即返回，信号量值减1 2. 计数器值 = 0 : 线程阻塞等待，直到信号量值变为正数
原子性保证	整个"检查-减1"操作是原子的，无竞态条件
阻塞行为	可能被信号中断，此时返回 `-1`，`errno` 设为 `EINTR`

sem_post - V操作（发布/释放）

项目	说明
函数原型	`int sem_post(sem_t *sem);`
头文件	`#include <semaphore.h>`
参数	`sem`: 指向要释放的信号量指针
返回值	成功返回 `0` 失败返回 `-1` 并设置 `errno`
核心功能	释放信号量，执行V操作（发布/加1）
操作机制	1. 信号量值加1 2. 如果有线程在 `sem_wait()` 中阻塞，唤醒其中一个
原子性保证	整个"加1-唤醒"操作是原子的
唤醒策略	唤醒的线程由系统调度决定，不保证公平性
特殊情况	当信号量值达到 `SEM_VALUE_MAX` 时，`sem_post` 可能失败

与条件变量的区别

特性	信号量	条件变量
核心	计数器	等待队列+通知机制
独立性	可独立使用	必须配合互斥锁
状态	内置计数状态	程序员管理条件状态
通知	`sem_post`自动唤醒	需显式调用`signal`/`broadcast`
虚假唤醒	不存在	可能存在，需while循环

Linux 之 【多线程】（死锁、同步与竞态条件、条件变量、pthread_cond_xxx、POSIX信号量、sem_xxx）

1.死锁

2.同步与竞态条件

竞态条件VS死锁

3.条件变量

3.1条件变量的核心思想

pthread_cond_t

pthread_cond_init

pthread_cond_destroy

pthread_cond_wait

pthread_cond_signal

pthread_cond_broadcast

4.POSIX信号量

信号量的本质

与System V信号量的对比

sem_t

sem_init-初始化信号量

sem_destroy-销毁信号量

sem_wait-P操作（等待/申请）

sem_post - V操作（发布/释放）

与条件变量的区别

Linux 之【多线程】（死锁、同步与竞态条件、条件变量、pthread_cond_xxx、POSIX信号量、sem_xxx）