在計(jì)算機(jī)編程的廣闊領(lǐng)域中，POSIX 標(biāo)準(zhǔn)就像是一把通用的鑰匙，開(kāi)啟了跨平臺(tái)編程的大門。POSIX，即 Portable Operating System Interface（可移植操作系統(tǒng)接口） ，是 IEEE 為了規(guī)范各種 UNIX 操作系統(tǒng)提供的 API 接口而定義的一系列互相關(guān)聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)的總稱。它的出現(xiàn)，旨在解決不同 UNIX 系統(tǒng)之間接口不一致的問(wèn)題，讓開(kāi)發(fā)者能夠編寫(xiě)一次代碼，在多個(gè)符合 POSIX 標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)源代碼級(jí)別的軟件可移植性。

對(duì)于多線程編程而言，POSIX 標(biāo)準(zhǔn)同樣意義非凡。在多核處理器盛行的今天，多線程編程成為充分利用硬件資源、提高程序性能的關(guān)鍵技術(shù)。POSIX 標(biāo)準(zhǔn)定義了一套清晰、規(guī)范的多線程編程接口，讓開(kāi)發(fā)者可以在不同的操作系統(tǒng)環(huán)境中，以統(tǒng)一的方式創(chuàng)建、管理線程，以及處理線程之間的同步和通信問(wèn)題 。無(wú)論是開(kāi)發(fā)高性能的服務(wù)器程序，還是優(yōu)化計(jì)算密集型的應(yīng)用，POSIX 標(biāo)準(zhǔn)下的多線程編程都能提供強(qiáng)大的支持。

接下來(lái)，讓我們深入探索 POSIX 標(biāo)準(zhǔn)下的多線程編程世界，揭開(kāi)線程創(chuàng)建、同步機(jī)制等核心概念的神秘面紗。

一、多線程編程簡(jiǎn)介

1.1線程初印象

線程，作為進(jìn)程內(nèi)的執(zhí)行單元，可以理解為進(jìn)程這個(gè)大舞臺(tái)上的一個(gè)個(gè)小舞者，各自有著獨(dú)立的舞步（執(zhí)行路徑），卻又共享著舞臺(tái)的資源（進(jìn)程資源）。與進(jìn)程相比，線程更加輕量級(jí)。進(jìn)程是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位，擁有獨(dú)立的地址空間、內(nèi)存、文件描述符等資源 ，進(jìn)程間的切換開(kāi)銷較大。而線程則是共享所屬進(jìn)程的資源，它們之間的切換開(kāi)銷相對(duì)較小，就像在同一個(gè)舞臺(tái)上不同舞者之間的快速換位，無(wú)需重新搭建整個(gè)舞臺(tái)。

線程的這些特點(diǎn)，使得多線程編程在提升程序執(zhí)行效率上有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。多個(gè)線程可以并發(fā)執(zhí)行，充分利用多核處理器的并行計(jì)算能力，將復(fù)雜的任務(wù)分解為多個(gè)子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)由一個(gè)線程負(fù)責(zé)處理，從而大大提高了程序的整體運(yùn)行速度。例如，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器程序中，一個(gè)線程可以負(fù)責(zé)監(jiān)聽(tīng)客戶端的連接請(qǐng)求，另一個(gè)線程負(fù)責(zé)處理已經(jīng)建立連接的客戶端的數(shù)據(jù)傳輸，這樣可以同時(shí)處理多個(gè)客戶端的請(qǐng)求，提升服務(wù)器的響應(yīng)性能 。

1.2POSIX 線程庫(kù)

在 POSIX 標(biāo)準(zhǔn)下，進(jìn)行多線程編程離不開(kāi) POSIX 線程庫(kù)（pthread 庫(kù)）。它就像是一根神奇的魔法棒，為開(kāi)發(fā)者提供了一系列強(qiáng)大的接口函數(shù)，讓我們能夠輕松地操控線程。

其中，pthread_create函數(shù)用于創(chuàng)建一個(gè)新的線程 ，它的原型如下：

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine)(void *), void *arg);

thread參數(shù)用于返回新創(chuàng)建線程的 ID；attr參數(shù)用于設(shè)置線程的屬性，如果為NULL則使用默認(rèn)屬性；start_routine是一個(gè)函數(shù)指針，指向線程開(kāi)始執(zhí)行時(shí)調(diào)用的函數(shù)；arg是傳遞給start_routine函數(shù)的參數(shù)。

而pthread_join函數(shù)則用于等待一個(gè)線程結(jié)束，其原型為：

int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

thread參數(shù)是要等待結(jié)束的線程 ID，retval用于獲取線程結(jié)束時(shí)的返回值。

下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的使用pthread_create和pthread_join函數(shù)的代碼示例：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

// 線程執(zhí)行的函數(shù)
void* thread_function(void* arg) {
    printf("線程開(kāi)始執(zhí)行，參數(shù)為: %s\n", (char*)arg);
    sleep(2);  // 模擬線程執(zhí)行任務(wù)
    printf("線程執(zhí)行結(jié)束\n");
    return (void*)1;  // 返回線程執(zhí)行結(jié)果
}

int main() {
    pthread_t thread;
    int res;
    void* thread_result;

    // 創(chuàng)建線程
    res = pthread_create(&thread, NULL, thread_function, (void*)"Hello, Thread!");
    if (res != 0) {
        perror("線程創(chuàng)建失敗");
        return 1;
    }

    printf("等待線程結(jié)束...\n");
    // 等待線程結(jié)束，并獲取線程返回值
    res = pthread_join(thread, &thread_result);
    if (res != 0) {
        perror("線程等待失敗");
        return 1;
    }

    printf("線程已結(jié)束，返回值為: %ld\n", (long)thread_result);
    return 0;
}

在這個(gè)示例中，我們創(chuàng)建了一個(gè)新線程，線程執(zhí)行thread_function函數(shù)，在函數(shù)中打印傳入的參數(shù)，然后休眠 2 秒模擬執(zhí)行任務(wù)，最后返回一個(gè)值。主線程通過(guò)pthread_join等待子線程結(jié)束，并獲取其返回值。

1.3線程的生命周期

線程如同一個(gè)有生命的個(gè)體，有著自己完整的生命周期，從創(chuàng)建的那一刻開(kāi)始，經(jīng)歷運(yùn)行、阻塞、喚醒等階段，最終走向結(jié)束。

當(dāng)我們調(diào)用pthread_create函數(shù)時(shí)，線程就誕生了，此時(shí)它處于就緒狀態(tài)，等待著 CPU 的調(diào)度。一旦獲得 CPU 時(shí)間片，線程就進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，開(kāi)始執(zhí)行它的任務(wù)，也就是調(diào)用我們指定的函數(shù) 。

在運(yùn)行過(guò)程中，線程可能會(huì)因?yàn)槟承┰蜻M(jìn)入阻塞狀態(tài)。比如，當(dāng)線程調(diào)用sleep函數(shù)時(shí)，它會(huì)主動(dòng)放棄 CPU 使用權(quán)，進(jìn)入睡眠狀態(tài)，直到睡眠時(shí)間結(jié)束才會(huì)重新回到就緒狀態(tài)，等待再次被調(diào)度執(zhí)行 。又或者，當(dāng)線程訪問(wèn)共享資源時(shí)，如果資源被其他線程占用，它就需要等待，從而進(jìn)入阻塞狀態(tài)，直到獲取到資源才會(huì)被喚醒，重新進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)線程執(zhí)行完它的任務(wù)，也就是指定的函數(shù)返回時(shí)，線程就進(jìn)入了結(jié)束狀態(tài)。此時(shí)，我們可以通過(guò)pthread_join函數(shù)等待線程結(jié)束，并獲取它的返回值 ，也可以在創(chuàng)建線程時(shí)將其設(shè)置為分離狀態(tài)，這樣線程結(jié)束后資源會(huì)自動(dòng)被回收，無(wú)需等待。了解線程的生命周期，有助于我們更好地管理線程，優(yōu)化程序的性能 。

二、Posix網(wǎng)絡(luò)API

2.1客戶端和服務(wù)端代碼示例

(1)服務(wù)端server.cpp

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>

int main(int argc,char *argv[])
{
  if (argc != 2)
  {
    printf("Using:./server port\nExample:./server 5005\n\n"); return -1;
  }
  // 第1步：創(chuàng)建服務(wù)端的socket。
  int listenfd;
  if ( (listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) 
  { 
	  perror("socket"); 
	  return -1; 
  }

  // 第2步：把服務(wù)端用于通信的地址和端口綁定到socket上。
  struct sockaddr_in servaddr;    // 服務(wù)端地址信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
  memset(&servaddr,0,sizeof(servaddr));
  servaddr.sin_family = AF_INET;  // 協(xié)議族，在socket編程中只能是AF_INET。
  servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);          // 任意ip地址。
  //servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.190.134"); // 指定ip地址。
  servaddr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));  // 指定通信端口。
  if (bind(listenfd,(struct sockaddr *)&servaddr,sizeof(servaddr)) != 0 )
  { 
	  perror("bind"); 
	  close(listenfd); 
	  return -1; 
  }

  // 第3步：把socket設(shè)置為監(jiān)聽(tīng)模式。
  if (listen(listenfd,5) != 0 ) 
  { 
	  perror("listen"); 
	  close(listenfd); 
	  return -1; 
  }

  // 第4步：接受客戶端的連接。
  int  clientfd;                  // 連上來(lái)的客戶端socket。
  int  socklen = sizeof(struct sockaddr_in); // struct sockaddr_in的大小
  struct sockaddr_in clientaddr;  // 客戶端的地址信息。

  clientfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&clientaddr, (socklen_t*)&socklen);
  printf("client (%s) connect server success。。。\n", inet_ntoa(clientaddr.sin_addr));

  // 第5步：與客戶端通信，接收客戶端發(fā)過(guò)來(lái)的報(bào)文后，將該報(bào)文原封不動(dòng)返回給客戶端。
  char buffer[1024];
  // memset(buffer, 0, 1024);
  while (1)
  {
	    int ret;
	    memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
	    // 接收客戶端的請(qǐng)求報(bào)文。
	    if ( (ret = recv(clientfd, buffer, sizeof(buffer), 0)) <= 0) 
	    {
	       printf("ret = %d , client disconected!!!\n", ret); 
	       break;   
	    }
	    printf("recv msg: %s\n", buffer);

	    // 向客戶端發(fā)送響應(yīng)結(jié)果。
	    if ( (ret = send(clientfd, buffer, strlen(buffer), 0)) <= 0) 
	    { 
		    perror("send"); 
		    break; 
	    }
	    printf("response client: %s success...\n", buffer);

	}
	// 第6步：關(guān)閉socket，釋放資源。
	close(listenfd); 
	close(clientfd); 
	return 0;
}

(2)客戶端client.cpp

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <netdb.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>

int main(int argc,char *argv[])
{
	if (argc != 3)
	{
		printf("Using:./client ip port\nExample:./client 127.0.0.1 5005\n\n"); return -1;
	}

	// 第1步：創(chuàng)建客戶端的socket。
	int sockfd;
	if ( (sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1) 
	{ 
		perror("socket"); 
		return -1; 
	}

	// 第2步：向服務(wù)器發(fā)起連接請(qǐng)求。
	struct hostent* h;
	if ( (h = gethostbyname(argv[1])) == 0 )   // 指定服務(wù)端的ip地址。
	{ printf("gethostbyname failed.\n"); close(sockfd); return -1; }
	struct sockaddr_in servaddr;
	memset(&servaddr,0,sizeof(servaddr));
	servaddr.sin_family = AF_INET;
	servaddr.sin_port = htons(atoi(argv[2])); // 指定服務(wù)端的通信端口。
	memcpy(&servaddr.sin_addr,h->h_addr,h->h_length);

	// 向服務(wù)端發(fā)起連接清求。
	if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) != 0)  
	{ 
		perror("connect"); 
		close(sockfd); 
		return -1; 
	}

	char buffer[1024];

	// 第3步：與服務(wù)端通信，發(fā)送一個(gè)報(bào)文后等待回復(fù)，然后再發(fā)下一個(gè)報(bào)文。
	for (int i = 0; i < 3; i++)
	{
		int ret;
		memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
		sprintf(buffer, "這是第[%d]條消息!", i+1);
		if ( (ret = send(sockfd, buffer, strlen(buffer),0)) <= 0) // 向服務(wù)端發(fā)送請(qǐng)求報(bào)文。
		{ 
			perror("send"); 
			break; 
		}
		printf("發(fā)送：%s\n", buffer);

		memset(buffer,0,sizeof(buffer));
		if ( (ret = recv(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0)) <= 0) // 接收服務(wù)端的回應(yīng)報(bào)文。
		{
			printf("ret = %d error\n", ret); 
			break;
		}
		printf("從服務(wù)端接收：%s\n", buffer);
		sleep(1);
	}

	// 第4步：關(guān)閉socket，釋放資源。
	close(sockfd);
}

運(yùn)行結(jié)果：

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著重分析以下幾個(gè)函數(shù)

(1)socket函數(shù)

int socket(int domain, int type, int protocol);

調(diào)用socket()函數(shù)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)套接字（socket）對(duì)象。套接字由兩部分組成，文件描述符（fd）和 TCP控制塊（Tcp Control Block，tcb） 。Tcb主要包括關(guān)系信息有網(wǎng)絡(luò)的五元組（remote IP，remote Port， local IP， local Port， protocol），一個(gè)五元組就可以確定一個(gè)具體的網(wǎng)絡(luò)連接。

(2)listen函數(shù)

listen(int listenfd, backlog);

服務(wù)端在調(diào)用listen()后，就開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)上連接請(qǐng)求。第二個(gè)參數(shù) backlog， 在Linux是指全連接隊(duì)列的長(zhǎng)度，即一次最多能保存 backlog 個(gè)連接請(qǐng)求。

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(3)connect 函數(shù)

客戶端調(diào)用connect()函數(shù)，向指定服務(wù)端發(fā)起連接請(qǐng)求。

(4)accept 函數(shù)

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

accept()函數(shù)只做兩件事，將連接請(qǐng)求從全連接隊(duì)列中取出，給該連接分配一個(gè)fd并返回。

(5) 三次握手過(guò)程分析

三次握手與listen/connect/accept三個(gè)函數(shù)有關(guān)，這里放到一起進(jìn)行描述。

客戶端調(diào)用 connect 函數(shù)，開(kāi)始進(jìn)入三次握手。客戶端發(fā)送syn包，以及帶著隨機(jī)的seq；

服務(wù)端listen函數(shù)監(jiān)聽(tīng)到有客戶端連接，listen函數(shù)會(huì)在內(nèi)核協(xié)議棧為該客戶端創(chuàng)建一個(gè)Tcb控制塊，并將其加入到半連接隊(duì)列。服務(wù)端在收到syn包后，會(huì)給客戶端恢復(fù)ack和syn包；

客戶端收到服務(wù)端的ack和syn后再次恢復(fù)ack，連接建立成功。

服務(wù)端在收到客戶端的ack后，會(huì)將該客戶端對(duì)應(yīng)的Tcb數(shù)據(jù)從半連接隊(duì)列移動(dòng)到全連接隊(duì)列。只要全連接隊(duì)列中有數(shù)據(jù)就會(huì)觸發(fā)accept，返回連接成功的客戶端fd、IP以及端口。此時(shí)，Tcb完整的五元組構(gòu)建成功。

(6)send/recv 函數(shù)

至此，客戶端與服務(wù)端已經(jīng)成功建立連接，就可以相互通信了。

send/recv函數(shù)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)。

過(guò)程分析

send函數(shù)：負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從用戶空間拷貝到內(nèi)核（具體是拷貝到該連接對(duì)應(yīng)的Tcb控制塊中的發(fā)送緩沖區(qū)）。注意：send函數(shù)返回并不意味著數(shù)據(jù)已成功發(fā)送，因?yàn)閿?shù)據(jù)在到達(dá)內(nèi)核緩沖區(qū)后，內(nèi)核會(huì)根據(jù)自己的策略決定什么時(shí)候?qū)?shù)據(jù)發(fā)出。

recv函數(shù)：負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶空間。同理，數(shù)據(jù)也顯示到達(dá)該連接對(duì)應(yīng)的Tcb控制塊的接受緩沖區(qū)。

(7)close 函數(shù)

在服務(wù)器與客戶端建立連接之后，會(huì)進(jìn)行一些讀寫(xiě)操作，完成讀寫(xiě)操作后我們需要關(guān)閉相應(yīng)的socket，好比操作完打開(kāi)的文件要調(diào)用fclose關(guān)閉打開(kāi)的文件一樣。close過(guò)程涉及到四次揮手的全過(guò)程

四次揮手流程：

• 客戶端調(diào)用close函數(shù)，內(nèi)核會(huì)發(fā)送fin包，客戶端進(jìn)入fin_wait1狀態(tài)；
• 服務(wù)端收到fin包回復(fù)ack，客戶端進(jìn)入close_wait狀態(tài)。此時(shí)，客戶客戶端往服務(wù)端發(fā)送的通道就關(guān)閉了，因?yàn)門cp是全雙工的，服務(wù)端還可以向客戶端發(fā)數(shù)據(jù)。
• 客戶端收到ack，進(jìn)入到fin_wait2狀態(tài)；
• 服務(wù)端發(fā)送完數(shù)據(jù)，發(fā)送fin包，服務(wù)端進(jìn)入last_ack狀態(tài)；
• 客戶端收到fin包后，回復(fù)ack，進(jìn)入到time_wait狀態(tài)；
• 服務(wù)端收到ack，雙方連接正常關(guān)閉。

注意：close操作只是讓相應(yīng)socket描述字的引用計(jì)數(shù)-1，只有當(dāng)引用計(jì)數(shù)為0的時(shí)候，才會(huì)觸發(fā)TCP客戶端向服務(wù)器發(fā)送終止連接請(qǐng)求

2.2雙方同時(shí)調(diào)用close

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2.3常見(jiàn)面試問(wèn)題

為什么要三次握手？

答：因?yàn)橐粋€(gè)完整的TCP連接需要雙方都得到確認(rèn)，客戶端發(fā)送請(qǐng)求和收到確認(rèn)需要兩次；服務(wù)端發(fā)送請(qǐng)求和收到確認(rèn)需要兩次，當(dāng)中服務(wù)回復(fù)確認(rèn)和發(fā)送請(qǐng)求合并為一次總共需要3次；才能保證雙向通道是通的。

一個(gè)服務(wù)器的端口數(shù)是65535，為何能做到一百萬(wàn)的連接？

答：主要是因?yàn)橐粭l連接是由五元組所組成，所以一個(gè)服務(wù)器的連接數(shù)是五個(gè)成員數(shù)的乘積。

如何應(yīng)對(duì)Dos（Deny of Service，拒絕服務(wù)）攻擊？

答：Dos攻擊就是利用三次握手的原理，模擬客戶端只向服務(wù)器發(fā)送syn包，然后耗盡被攻擊對(duì)象的資源。比較多的做法是利用防火墻，做一些過(guò)濾規(guī)則

如何解決Tcp的粘包問(wèn)題？

答：（1） 在包頭上添加一個(gè)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度的字段，用于數(shù)據(jù)的劃分，實(shí)際項(xiàng)目中這個(gè)也用的最多；（2）包尾部加固定分隔符；

Tcp如何保證順序到達(dá)？

答：順序到達(dá)是由于TCP的延遲ACK的機(jī)制來(lái)保證的，TCP接收到數(shù)據(jù)并不是立即回復(fù)而是經(jīng)過(guò)一個(gè)延遲時(shí)間，回復(fù)接收到連續(xù)包的最大序列號(hào)加1。如果丟包之后的包都需要重傳。在弱網(wǎng)情況下這里就會(huì)有實(shí)時(shí)性問(wèn)題和帶寬占用的問(wèn)題；

time_wait 作用？

答：防止最后一個(gè)ACK沒(méi)有順利到達(dá)對(duì)方，超時(shí)重新發(fā)送ack。time_wait時(shí)常一般是120s可以修改。

服務(wù)器掉線重啟出現(xiàn)端口被占用怎么辦？

答：其實(shí)主要是由于還處于time_wait狀態(tài)，端口并沒(méi)有真正釋放。這時(shí)候可以設(shè)置SO_REUSEADDR屬性，保證掉線能馬上重連。

三、同步機(jī)制：多線程協(xié)作的 “指揮家”

在多線程編程的舞臺(tái)上，同步機(jī)制就像是一位經(jīng)驗(yàn)豐富的指揮家，協(xié)調(diào)著各個(gè)線程的行動(dòng)，確保它們能夠和諧共處，高效地完成任務(wù)。多線程編程中，由于多個(gè)線程共享進(jìn)程資源，資源競(jìng)爭(zhēng)和線程協(xié)作問(wèn)題不可避免，而同步機(jī)制正是解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵。接下來(lái)，我們將深入探討互斥鎖、信號(hào)量和條件變量這幾種常見(jiàn)的同步機(jī)制 。

3.1資源競(jìng)爭(zhēng)：多線程中的 “暗礁”

當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)和修改共享資源時(shí)，資源競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題就如同隱藏在暗處的暗礁，隨時(shí)可能讓程序的運(yùn)行陷入混亂。假設(shè)我們有一個(gè)簡(jiǎn)單的程序，包含兩個(gè)線程，它們都試圖對(duì)一個(gè)全局變量進(jìn)行加 1 操作：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

// 全局變量
int global_variable = 0;

// 線程執(zhí)行函數(shù)
void* thread_function(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
        global_variable++;
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread1, thread2;

    // 創(chuàng)建線程
    pthread_create(&thread1, NULL, thread_function, NULL);
    pthread_create(&thread2, NULL, thread_function, NULL);

    // 等待線程結(jié)束
    pthread_join(thread1, NULL);
    pthread_join(thread2, NULL);

    printf("最終的全局變量值: %d\n", global_variable);
    return 0;
}

按照我們的預(yù)期，兩個(gè)線程各對(duì)全局變量加 1000000 次，最終的結(jié)果應(yīng)該是 2000000。然而，實(shí)際運(yùn)行這個(gè)程序，你會(huì)發(fā)現(xiàn)結(jié)果往往小于 2000000。這是因?yàn)樵诙嗑€程環(huán)境下，global_variable++ 這一操作并非原子操作，它實(shí)際上包含了讀取變量值、加 1、寫(xiě)回變量值這三個(gè)步驟 。當(dāng)兩個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行這一操作時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)線程讀取了變量值，還未完成加 1 和寫(xiě)回操作，另一個(gè)線程也讀取了相同的值，導(dǎo)致最終結(jié)果出現(xiàn)偏差，數(shù)據(jù)不一致 。

3.2互斥鎖：守護(hù)資源的 “衛(wèi)士”

互斥鎖（Mutex）是解決資源競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題的常用工具，它就像一位忠誠(chéng)的衛(wèi)士，守護(hù)著共享資源，確保同一時(shí)間只有一個(gè)線程能夠訪問(wèn)資源?；コ怄i的工作原理基于一個(gè)簡(jiǎn)單的概念：當(dāng)一個(gè)線程獲取到互斥鎖時(shí)，其他線程就必須等待，直到該線程釋放互斥鎖。

在 POSIX 線程庫(kù)中，使用互斥鎖非常簡(jiǎn)單。首先，我們需要定義一個(gè)互斥鎖變量：

pthread_mutex_t mutex;

然后，在訪問(wèn)共享資源之前，通過(guò) pthread_mutex_lock 函數(shù)獲取互斥鎖：

pthread_mutex_lock(&mutex);

如果互斥鎖已經(jīng)被其他線程持有，調(diào)用 pthread_mutex_lock 的線程將被阻塞，直到互斥鎖被釋放。當(dāng)訪問(wèn)完共享資源后，使用 pthread_mutex_unlock 函數(shù)釋放互斥鎖：

pthread_mutex_unlock(&mutex);

下面是使用互斥鎖改進(jìn)后的代碼：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

// 全局變量
int global_variable = 0;
// 互斥鎖
pthread_mutex_t mutex;

// 線程執(zhí)行函數(shù)
void* thread_function(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
        // 獲取互斥鎖
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        global_variable++;
        // 釋放互斥鎖
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread1, thread2;

    // 初始化互斥鎖
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    // 創(chuàng)建線程
    pthread_create(&thread1, NULL, thread_function, NULL);
    pthread_create(&thread2, NULL, thread_function, NULL);

    // 等待線程結(jié)束
    pthread_join(thread1, NULL);
    pthread_join(thread2, NULL);

    // 銷毀互斥鎖
    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    printf("最終的全局變量值: %d\n", global_variable);
    return 0;
}

通過(guò)這種方式，互斥鎖有效地保護(hù)了共享資源，確保了數(shù)據(jù)的一致性 。

3.3信號(hào)量：資源分配的 “調(diào)度員”

信號(hào)量（Semaphore）是另一種強(qiáng)大的同步工具，它不僅可以用于實(shí)現(xiàn)互斥，還能用于管理資源的分配。信號(hào)量可以看作是一個(gè)計(jì)數(shù)器，它的值表示可用資源的數(shù)量 。當(dāng)一個(gè)線程想要訪問(wèn)資源時(shí)，它需要先獲取信號(hào)量，如果信號(hào)量的值大于 0，則表示有可用資源，線程可以獲取信號(hào)量并繼續(xù)執(zhí)行，同時(shí)信號(hào)量的值減 1；如果信號(hào)量的值為 0，則表示沒(méi)有可用資源，線程將被阻塞，直到有其他線程釋放信號(hào)量 。

在 POSIX 標(biāo)準(zhǔn)中，信號(hào)量相關(guān)的函數(shù)主要有 sem_init（初始化信號(hào)量）、sem_wait（等待信號(hào)量）、sem_post（釋放信號(hào)量）和 sem_destroy（銷毀信號(hào)量）。假設(shè)我們有一個(gè)場(chǎng)景，有多個(gè)線程需要訪問(wèn)有限數(shù)量的資源，比如數(shù)據(jù)庫(kù)連接池中的連接。我們可以使用信號(hào)量來(lái)控制對(duì)這些資源的訪問(wèn)：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>

// 定義信號(hào)量，假設(shè)有5個(gè)可用資源
sem_t semaphore;

// 線程執(zhí)行函數(shù)
void* thread_function(void* arg) {
    // 等待信號(hào)量
    sem_wait(&semaphore);
    printf("線程獲取到資源，開(kāi)始執(zhí)行任務(wù)...\n");
    // 模擬任務(wù)執(zhí)行
    sleep(1);
    printf("線程任務(wù)執(zhí)行完畢，釋放資源\n");
    // 釋放信號(hào)量
    sem_post(&semaphore);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t threads[10];

    // 初始化信號(hào)量，設(shè)置初始值為5
    sem_init(&semaphore, 0, 5);

    // 創(chuàng)建10個(gè)線程
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        pthread_create(&threads[i], NULL, thread_function, NULL);
    }

    // 等待所有線程結(jié)束
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        pthread_join(threads[i], NULL);
    }

    // 銷毀信號(hào)量
    sem_destroy(&semaphore);

    return 0;
}

在這個(gè)例子中，我們初始化信號(hào)量的值為 5，表示有 5 個(gè)可用資源。每個(gè)線程在執(zhí)行任務(wù)前先通過(guò) sem_wait 等待信號(hào)量，獲取到信號(hào)量后才能訪問(wèn)資源，執(zhí)行完任務(wù)后通過(guò) sem_post 釋放信號(hào)量，這樣就保證了同時(shí)最多只有 5 個(gè)線程可以訪問(wèn)資源 。

3.4條件變量：線程間的 “傳聲筒”

條件變量（Condition Variable）用于線程間基于條件的通信，它為線程提供了一種等待特定條件發(fā)生的機(jī)制，就像一個(gè)傳聲筒，讓線程之間能夠相互傳達(dá)信息。條件變量通常與互斥鎖配合使用，以實(shí)現(xiàn)線程之間的同步和協(xié)作。

一個(gè)經(jīng)典的例子是生產(chǎn)者 - 消費(fèi)者模型。在這個(gè)模型中，生產(chǎn)者線程負(fù)責(zé)生成數(shù)據(jù)并將其放入緩沖區(qū)，消費(fèi)者線程則從緩沖區(qū)中取出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。當(dāng)緩沖區(qū)為空時(shí)，消費(fèi)者線程需要等待，直到生產(chǎn)者線程向緩沖區(qū)中放入數(shù)據(jù)；當(dāng)緩沖區(qū)滿時(shí)，生產(chǎn)者線程需要等待，直到消費(fèi)者線程從緩沖區(qū)中取出數(shù)據(jù) 。

下面是使用條件變量和互斥鎖實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者 - 消費(fèi)者模型的代碼示例：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

#define BUFFER_SIZE 5
int buffer[BUFFER_SIZE];
int in = 0, out = 0;

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t not_empty = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_cond_t not_full = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

// 生產(chǎn)者線程函數(shù)
void* producer(void* arg) {
    while (1) {
        int item = rand() % 100; // 生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while ((in + 1) % BUFFER_SIZE == out) { // 緩沖區(qū)滿
            pthread_cond_wait(?_full, &mutex);
        }
        buffer[in] = item;
        printf("生產(chǎn)者放入數(shù)據(jù): %d\n", item);
        in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;
        pthread_cond_signal(?_empty);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(rand() % 2); // 模擬生產(chǎn)時(shí)間
    }
    return NULL;
}

// 消費(fèi)者線程函數(shù)
void* consumer(void* arg) {
    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while (in == out) { // 緩沖區(qū)空
            pthread_cond_wait(?_empty, &mutex);
        }
        int item = buffer[out];
        printf("消費(fèi)者取出數(shù)據(jù): %d\n", item);
        out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;
        pthread_cond_signal(?_full);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(rand() % 3); // 模擬消費(fèi)時(shí)間
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t producer_thread, consumer_thread;

    // 創(chuàng)建生產(chǎn)者和消費(fèi)者線程
    pthread_create(&producer_thread, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&consumer_thread, NULL, consumer, NULL);

    // 等待線程結(jié)束
    pthread_join(producer_thread, NULL);
    pthread_join(consumer_thread, NULL);

    // 銷毀互斥鎖和條件變量
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(?_empty);
    pthread_cond_destroy(?_full);

    return 0;
}

在這個(gè)代碼中，pthread_cond_wait 函數(shù)會(huì)使線程進(jìn)入等待狀態(tài)，并自動(dòng)釋放互斥鎖，當(dāng)條件滿足被喚醒時(shí)，會(huì)重新獲取互斥鎖。pthread_cond_signal 函數(shù)則用于喚醒等待在條件變量上的一個(gè)線程。通過(guò)條件變量和互斥鎖的緊密配合，生產(chǎn)者和消費(fèi)者線程能夠有條不紊地工作，實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)處理 。

四、多線程編程實(shí)戰(zhàn)演練

4.1多線程案例分析

在日常的編程工作中，文件處理是一項(xiàng)常見(jiàn)的任務(wù)。當(dāng)面對(duì)大量文件需要處理時(shí)，單線程的處理方式往往效率低下，而多線程編程則能成為提升效率的利器。假設(shè)我們有一個(gè)需求：處理一批日志文件，需要統(tǒng)計(jì)每個(gè)文件中特定關(guān)鍵詞出現(xiàn)的次數(shù)，并將結(jié)果匯總。

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)多線程的文件處理方案。首先，將文件列表進(jìn)行分割，把不同的文件分配給不同的線程處理，這就像是將一堆任務(wù)分配給不同的工人，每個(gè)工人專注于自己手頭的任務(wù) 。每個(gè)線程負(fù)責(zé)讀取分配給自己的文件內(nèi)容，逐行掃描，統(tǒng)計(jì)關(guān)鍵詞出現(xiàn)的次數(shù)。

這個(gè)過(guò)程中，線程之間的同步機(jī)制至關(guān)重要。我們可以使用互斥鎖來(lái)保護(hù)共享的統(tǒng)計(jì)結(jié)果變量，確保不同線程在更新統(tǒng)計(jì)結(jié)果時(shí)不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題 。比如，當(dāng)一個(gè)線程統(tǒng)計(jì)完自己負(fù)責(zé)文件后，需要將統(tǒng)計(jì)結(jié)果累加到全局的統(tǒng)計(jì)變量中，此時(shí)通過(guò)獲取互斥鎖，保證同一時(shí)間只有一個(gè)線程能夠進(jìn)行累加操作，避免了數(shù)據(jù)不一致的情況 。

4.2代碼實(shí)現(xiàn)示例

下面是使用 POSIX 線程庫(kù)實(shí)現(xiàn)多線程文件處理的具體代碼：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

#define MAX_FILES 10
#define KEYWORD "error"  // 要統(tǒng)計(jì)的關(guān)鍵詞

// 線程參數(shù)結(jié)構(gòu)體
typedef struct {
    char *file_name;
} ThreadArgs;

// 全局統(tǒng)計(jì)變量
int global_count = 0;
// 互斥鎖
pthread_mutex_t mutex;

// 線程執(zhí)行函數(shù)
void* count_keyword(void* arg) {
    ThreadArgs *args = (ThreadArgs*)arg;
    FILE *file = fopen(args->file_name, "r");
    if (file == NULL) {
        perror("文件打開(kāi)失敗");
        pthread_exit(NULL);
    }

    char line[1024];
    int local_count = 0;
    while (fgets(line, sizeof(line), file) != NULL) {
        if (strstr(line, KEYWORD) != NULL) {
            local_count++;
        }
    }
    fclose(file);

    // 獲取互斥鎖，更新全局統(tǒng)計(jì)變量
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    global_count += local_count;
    pthread_mutex_unlock(&mutex);

    pthread_exit(NULL);
}

int main() {
    pthread_t threads[MAX_FILES];
    ThreadArgs args[MAX_FILES];
    char file_names[MAX_FILES][50] = {"file1.log", "file2.log", "file3.log", "file4.log", "file5.log", "file6.log", "file7.log", "file8.log", "file9.log", "file10.log"};

    // 初始化互斥鎖
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    // 創(chuàng)建線程并分配文件
    for (int i = 0; i < MAX_FILES; i++) {
        args[i].file_name = file_names[i];
        if (pthread_create(&threads[i], NULL, count_keyword, &args[i]) != 0) {
            perror("線程創(chuàng)建失敗");
            return 1;
        }
    }

    // 等待所有線程結(jié)束
    for (int i = 0; i < MAX_FILES; i++) {
        if (pthread_join(threads[i], NULL) != 0) {
            perror("線程等待失敗");
            return 1;
        }
    }

    // 銷毀互斥鎖
    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    printf("關(guān)鍵詞 '%s' 出現(xiàn)的總次數(shù): %d\n", KEYWORD, global_count);
    return 0;
}

在這段代碼中，count_keyword 函數(shù)是線程執(zhí)行的主體，它打開(kāi)分配的文件，逐行讀取并統(tǒng)計(jì)關(guān)鍵詞出現(xiàn)的次數(shù)，最后通過(guò)互斥鎖將本地統(tǒng)計(jì)結(jié)果累加到全局變量中 。main 函數(shù)負(fù)責(zé)創(chuàng)建線程，為每個(gè)線程分配文件，并等待所有線程執(zhí)行完畢后輸出最終的統(tǒng)計(jì)結(jié)果 。

4.3多線程調(diào)試與優(yōu)化

在多線程程序的調(diào)試過(guò)程中，我們可能會(huì)遇到各種各樣的問(wèn)題。死鎖是一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題，比如兩個(gè)線程分別持有不同的鎖，卻又試圖獲取對(duì)方持有的鎖，就會(huì)陷入死鎖狀態(tài)，導(dǎo)致程序無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行 。為了檢測(cè)死鎖，可以使用工具如Valgrind的Helgrind工具，它能夠幫助我們發(fā)現(xiàn)潛在的死鎖問(wèn)題。一旦發(fā)現(xiàn)死鎖，我們需要仔細(xì)檢查代碼中鎖的獲取和釋放順序，避免嵌套鎖的不合理使用 。

線程異常也是需要關(guān)注的問(wèn)題。當(dāng)線程執(zhí)行過(guò)程中出現(xiàn)未捕獲的異常時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)程序崩潰。我們可以在線程函數(shù)中使用try - catch塊（如果是 C++ 代碼）或者進(jìn)行適當(dāng)?shù)腻e(cuò)誤處理，確保線程在遇到異常時(shí)能夠安全地退出，而不影響其他線程的正常運(yùn)行 。

在優(yōu)化方面，合理調(diào)整線程數(shù)量是一個(gè)重要的思路。線程數(shù)量并非越多越好，過(guò)多的線程會(huì)導(dǎo)致上下文切換開(kāi)銷增大，反而降低程序性能 。對(duì)于 CPU 密集型的任務(wù)，線程數(shù)量可以設(shè)置為接近 CPU 核心數(shù)；對(duì)于 I/O 密集型的任務(wù)，由于線程在等待 I/O 操作時(shí)會(huì)阻塞，不會(huì)占用 CPU 資源，因此可以適當(dāng)增加線程數(shù)量 。此外，優(yōu)化同步機(jī)制也能提升性能，比如使用更細(xì)粒度的鎖，減少鎖的競(jìng)爭(zhēng)范圍，或者在合適的場(chǎng)景下使用無(wú)鎖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，避免鎖帶來(lái)的開(kāi)銷 。通過(guò)不斷地調(diào)試和優(yōu)化，我們能夠讓多線程程序更加穩(wěn)健高效地運(yùn)行 。