学习嵌入式的第二十九天-数据结构-（2025.7.16）线程控制：互斥与同步

以下是您提供的文本内容的排版整理版本。我已根据内容主题将其分为几个主要部分（互斥锁、信号量、死锁、IPC进程间通信、管道操作），并使用清晰的结构组织信息：

• 代码片段用代码块格式（指定语言为C）突出显示。
• 函数定义和步骤使用有序列表整理。
• 关键概念用加粗或小标题强调。
• 整体结构基于逻辑顺序优化，确保易读性，但未修改原始内容含义。

互斥锁机制

互斥机制确保多线程中对临界资源的排他性访问（公共资源）。框架包括定义、初始化、加锁、解锁和销毁步骤。

1. 定义互斥锁：

   pthread_mutex_t mutex; // 互斥锁类型变量
   

2. 初始化锁：

   • 函数：int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);
     • 功能：初始化已定义的互斥锁。
     • 参数：
       • mutex：要初始化的互斥锁指针。
       • attr：初始化属性值，通常为NULL（表示默认锁）。
     • 返回值：成功返回0，失败返回非零值。

3. 加锁：

   • 函数：int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
     • 功能：对指定代码加锁，加锁后代码为原子操作（其他线程无法访问）。
     • 参数：mutex为互斥锁指针。
     • 返回值：成功返回0，失败返回非零值。
     • 注意：如果锁已被占用，则阻塞当前线程。

4. 解锁：

   • 函数：int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
     • 功能：解锁指定互斥锁。
     • 参数：mutex为互斥锁指针。
     • 返回值：成功返回0，失败返回非零值。
     • 注意：加锁和解锁通常成对出现。

5. 销毁锁：

   • 函数：int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
     • 功能：销毁互斥锁。
     • 参数：mutex为互斥锁指针。
     • 返回值：成功返回0，失败返回非零值。

6. 非阻塞锁（trylock）：

   • 函数：int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
     • 功能：类似加锁，但不阻塞。
     • 参数：mutex为互斥锁指针。
     • 返回值：成功返回0，失败返回非零值（如EAGAIN）。
   • 注意：互斥锁控制排他访问，但不保证次序。

信号量机制（Linux线程同步）

信号量用于线程或进程间同步，分类为：

• 无名信号量：线程间通信。
• 有名信号量：进程间通信。

框架包括定义、初始化、PV操作和销毁。

1. 定义信号量：

   sem_t sem; // 信号量类型变量
   

2. 初始化信号量：

   • 函数：int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
     • 功能：初始化已定义的信号量。
     • 参数：
       • sem：信号量指针。
       • pshared：0表示线程间使用，非0表示进程间使用。
       • value：初始值（例如，二值信号量中，0表示阻塞，1表示通过）。
     • 返回值：成功返回0，失败返回非零值。

3. PV操作：

   • P操作（申请资源）：sem_wait(sem_t *sem);（功能：减少信号量值，如果值为0则阻塞）。
   • V操作（释放资源）：sem_post(sem_t *sem);（功能：增加信号量值，唤醒等待线程）。
   • 注意：PV操作确保同步。

4. 销毁信号量：

   • 函数：int sem_destroy(sem_t *sem);
     • 功能：销毁信号量。
     • 参数：sem为信号量指针。
     • 返回值：成功返回0，失败返回非零值。

死锁原因与必要条件

死锁产生原因：

1. 系统资源不足。
2. 进程运行推进顺序不合适。
3. 资源分配不当。

死锁必要条件：

1. 互斥条件：一个资源每次只能被一个进程使用。
2. 请求与保持条件：进程因请求资源阻塞时，对已获得资源保持不放。
3. 不剥夺条件：进程已获得资源在未使用完前不能被强行剥夺。
4. 循环等待条件：若干进程形成头尾相接的循环等待资源关系。

注意：如果资源充足，死锁可能性低；否则易因争夺资源发生。

IPC进程间通信分类

IPC（Inter-Process Communicate）分为三大类：

1. 古老通信方式：

   • 无名管道。
   • 有名管道。
   • 信号（唯一异步通信方式）。

2. IPC对象通信（System V）：

   • 消息队列（较少使用）。
   • 共享内存（最高效方式）。
   • 信号量集。

3. Socket通信：用于网络通信。

特例：线程信号使用sem_init（POSIX标准）。

管道操作（有名管道）

管道操作框架：打开、读写、关闭、卸载。

1. 打开有名管道：

   • 函数：int open(const char *pathname, int flags);
     • 注意：
       • 管道为半双工模式，打开方式决定读写端。
       • 示例：

         int fd_read = open("./fifo", O_RDONLY); // 固定为读端
         int fd_write = open("./fifo", O_WRONLY); // 固定为写端
         

       • 禁止使用O_RDWR（读写模式）或O_CREAT（创建选项），管道创建需用mkfifo函数。

2. 管道读写：

   • 读操作：read(fd_read, buff, sizeof(buff));
   • 写操作：write(fd_write, buff, sizeof(buff));

3. 关闭管道：

   • 函数：close(fd);

4. 卸载管道：

   • 函数：int unlink(const char *pathname);
     • 功能：移除管道文件。