基于Linux的线程通信技术简介 (linux下线程之间通信)

随着计算机技术不断发展，处理器核心数的不断增加，以及需求更高效的多任务操作，线程通信技术成为一个必不可少的话题。线程通信技术是同时运行的两个或多个线程之间进行交换信息的过程。Linux操作系统为线程之间的通信提供了多种方法，本文将介绍一些常见的线程通信技术。

管道通信技术

管道是一种通用的Linux IPC机制，它是一种单向的通信方式，数据在进程之间单项传输。管道以两个文件描述符来表示：管道的读端和管道的写端。管道通过有缓冲区的方式实现通信。管道常常被用来在父子进程之间通信。

具体实现：创建一个管道使用pipe()函数。返回文件描述符数组，用于读取和写入数据。管道有两个端口，通常一个端口专门用于写数据，另一个端口专门用于读数据。一般情况下，写端只有在读端打开管道并开始读取数据前才能使用。

消息队列通信技术

消息队列是一种在进程之间传递数据的通信方法。消息队列允许不同的进程发送当前用户的数据给其他进程，而不必了解它们的状态。消息队列可以是多个进程同时访问。

具体实现：使用msgget函数创建消息队列，返回一个唯一的标识符(key)。每个消息队列都有一个唯一的标识符。将该标识符传递给msgrcv函数和msgsnd函数，以连接到消息队列。msgsnd将一个结构体写入消息队列并让其他进程接收该结构体。msgrcv从消息队列中读取数据，一直等到指定类型的消息到达。

共享内存通信技术

共享内存是一种允许多个进程共享同一块物理内存和它们之间的数据。相比于管道和消息队列，共享内存的传输速度更快，但也更加复杂。当多个进程共享内存时，只有一种方法可以确定数据何时可用以及其他进程何时在写入前等待访问权。

具体实现：使用shmget函数创建共享内存，返回一个唯一的标识符(key)。之后使用shmat函数连接共享内存，返回指向共享内存段的指针。使用共享内存段完成数据的读取和写入工作。在使用完共享内存后，记得使用shmdt函数解除连接。

信号量通信技术

信号量是一种保护共享资源的机制，允许多个线程或进程共享同一资源时进行同步。它可以用来控制进程数，或者让某个进程等待条件的满足。信号量确保了一组进程只有在获取了共享的资源后才能继续执行。

具体实现：使用semget函数创建一个信号量，返回一个唯一的标识符。之后可以使用semop函数进行操作。semop函数使用结构体指定操作。操作可以是增加或减少信号量的值。操作可以是立即获取，也可以实现多层等待相对优先权的进程阻塞。同步信号也是一种信号，不使用与输入和输出，而是用于手动显著进程已完成某个特定的任务。

本文介绍了Linux操作系统中常用的四种线程通信技术，包括管道、消息队列、共享内存和信号量。线程通信技术是在多线程编程中非常重要的一部分，它们都有各自的优缺点和使用场景。熟练掌握这些技术，可以使开发者更加高效地完成任务。无论是在Linux还是其它操作系统中，都必须熟练掌握线程通信技术。

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• Linux 多线程编程(二)

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三种专门用于线程同步的机制:POSIX信号量,互斥量和条件变量.

在Linux上信号量API有两组,一组是System V IPC信号量,即PV操作,另外就是POSIX信号量,POSIX信号量的名字都是以sem_开头.

phshared参数指定信号量的类型,若其值为0,就表示这个信号量是当前进程的局部信号量,否则该信号量可以在多个进程之间共享.value值指定信号量的初始值,一般与下面的sem_wait函数相对应.

其中比较重要的函数sem_wait函数会以原子操作的方式将信号量的值减一,如果信号量的值为零,则sem_wait将会阻塞,信号量的值可以在sem_init函数中的value初始化;sem_trywait函数是sem_wait的非阻塞版本;sem_post函数将以原子的操作对信号量加一,当信号量的值大于0时,其他正在调用sem_wait等待信号量的线程将被唤醒.

这些函数成功时返回0,失败则返回-1并设置errno.

生产者消费者模型:

生产者对应一个信号量:sem_t producer;

消费者对应一个信号量:sem_t customer;

sem_init(&producer,2)—-生产者拥有资源,可以工闷乱作;

sem_init(&customer,0)—-消费者没有资源,阻塞;

在访问公共资源前对互滚耐斥量设置（加锁），确保同一时间只有一个线程访问数据，在访问完成后再释放（解锁）互斥量.

互斥锁的运行方式:串行访问共享资源;

信号量的运行方式:并行访问共享资源;

互斥量用pthread_mutex_t数据类型表示，在使用互斥量之前，必须使用pthread_mutex_init函数对它进行初始化，注意，使用完毕后需调用pthread_mutex_destroy.

pthread_mutex_init用于初始化互斥锁，mutexattr用于指定互斥锁的属性，若为NULL，则表示默认属性。除了用这个函数初始化互斥所外，还可以用如下方式初始化：pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER。

pthread_mutex_destroy用于销毁互斥锁，以释放占用的内核资源，销毁一个已经加锁的互斥锁将导致不可预期的后果。

pthread_mutex_lock以原子操作给一个互斥锁加锁。如果目标互斥锁已经被加锁，则pthread_mutex_lock则被阻塞，直到该互斥锁占有者把它给解锁.

pthread_mutex_trylock和pthread_mutex_lock类似，不过它始终立即返回，而不论作的互斥锁是否加锁，是pthread_mutex_lock的非阻塞版本.当目标互斥锁未被加锁时，pthread_mutex_trylock进行加锁操作；否则将返回EBUSY错误码。注意：这里讨论的pthread_mutex_lock和pthread_mutex_trylock是针对普通锁而言的，对于其他类型的锁，这两个加锁函数会有不同的行为.

pthread_mutex_unlock以原子操作方式给一个互斥锁进行解锁操作。如果此时有其他线程正在等待这个互斥锁，则这些线程中的一个将获得它.

三个打印机轮流打印:

输出结蚂备档果:

如果说互斥锁是用于同步线程对共享数据的访问的话,那么条件变量就是用于在线程之间同步共享数据的值.条件变量提供了一种线程之间通信的机制:当某个共享数据达到某个值时,唤醒等待这个共享数据的线程.

条件变量会在条件不满足的情况下阻塞线程.且条件变量和互斥量一起使用，允许线程以无竞争的方式等待特定的条件发生.

其中pthread_cond_broadcast函数以广播的形式唤醒所有等待目标条件变量的线程,pthread_cond_signal函数用于唤醒一个等待目标条件变量线程.但有时候我们可能需要唤醒一个固定的线程,可以通过间接的方法实现:定义一个能够唯一标识目标线程的全局变量,在唤醒等待条件变量的线程前先设置该变量为目标线程,然后采用广播的方式唤醒所有等待的线程,这些线程被唤醒之后都检查该变量以判断是否是自己.

采用条件变量+互斥锁实现生产者消费者模型:

运行结果:

阻塞队列+生产者消费者

运行结果:

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