Linux软件编程(七)线程间同步与进程间通信
一、线程间同步机制
定义：让多个线程在执行某个任务时，具有先后顺序的执行。
异步定义：多线程、多进程本质是异步执行，CPU 调度是随机的。
1. 信号量（Semaphore）
用于实现线程间同步。
操作步骤：
定义信号量对象
初始化信号量
PV 操作：P（申请信号量）；V（释放信号量）
销毁信号量
相关函数接口：
#include <semaphore.h>
sem_t sem; // 定义对象
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value); // 初始化信号量
int sem_wait(sem_t *sem); // P操作：申请信号量
int sem_post(sem_t *sem); // V操作：释放信号量
int sem_destroy(sem_t *sem); // 销毁信号量
参数说明：
pshared = 0：线程间共享pshared != 0：进程间共享value：信号量初始值
2. 死锁及解决方法
死锁：在多线程环境中，每个线程持有资源并请求其他线程持有的资源，导致无限等待。
产生死锁的四个必要条件：
互斥条件：资源每次只能被一个线程使用。
请求与保持条件：线程请求新资源时不释放已持有的资源。
不剥夺条件：资源无法被强行剥夺。
循环等待条件：多个线程形成环状等待资源。
解决方法：
锁一定要成对出现
线程加锁顺序一致
破坏环路等待条件
使用非阻塞锁，如果锁被占用，释放已持有锁再尝试
二、进程间通信（IPC）
原因：进程间空间独立，无法直接通信，需要 IPC 机制实现通信。
1. 同一主机进程间通信
古老方式：
无名管道（父子进程）
有名管道（任意进程）
信号（通知机制）
IPC 对象通信（System V）：
共享内存（效率最高）
消息队列
信号量集
2. 不同主机进程间通信
Socket 通信（网络通信）
3. 管道通信
无名管道
#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);
0 为读端，1 为写端
默认大小 64KB
特性：
写阻塞：管道满时阻塞
读阻塞：管道空时阻塞
读返回值为 0：写端关闭且无数据
管道破裂：读端关闭，写端写入出错
有名管道
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
创建管道文件，读写端可任意进程使用
其他操作：
open()、read()、write()、close()、remove()
三、代码示例
1. 多线程模拟大棚数据采集
tasks.h
#ifndef __TASK_H__
#define __TASK_H__#include<pthread.h>typedef void *(*PFUN_t)(void *);typedef struct tasks
{pthread_t tid; PFUN_t ptask;
} Task_t;extern int create_thread_tasks(Task_t *tasks, int len);
extern void destroy_thread_task(Task_t *tasks, int len);#endif
task.c
#include <stdio.h>
#include "tasks.h"int create_thread_tasks(Task_t *tasks, int len) {for (int i = 0; i < len; i++) {int ret = pthread_create(&(tasks[i].tid), NULL, tasks[i].ptask, NULL);if (ret != 0) {printf("pthread_create error!");return -1;}}return 0;
}void destroy_thread_task(Task_t *tasks, int len) {for (int i = 0; i < len; i++)pthread_join(tasks[i].tid, NULL);
}
main.c（线程同步示例）
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <unistd.h>sem_t sem_w, sem_e, sem_r;void *task1(void *arg) {while (1) {sem_wait(&sem_w);printf("A\n");sem_post(&sem_e);sleep(1);}
}void *task2(void *arg) {while (1) {sem_wait(&sem_e);printf("B\n");sem_post(&sem_r);sleep(1);}
}void *task3(void *arg) {while (1) {sem_wait(&sem_r);printf("C\n");sem_post(&sem_w);sleep(1);}
}int main() {pthread_t tid[3];sem_init(&sem_w, 0, 1);sem_init(&sem_e, 0, 0);sem_init(&sem_r, 0, 0);pthread_create(&tid[0], NULL, task1, NULL);pthread_create(&tid[1], NULL, task2, NULL);pthread_create(&tid[2], NULL, task3, NULL);for (int i = 0; i < 3; i++)pthread_join(tid[i], NULL);sem_destroy(&sem_w);sem_destroy(&sem_e);sem_destroy(&sem_r);return 0;
}
2. 无名管道通信示例
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/wait.h>int main() {int pipefd[2];pipe(pipefd);pid_t pid = fork();if(pid > 0) { // 父进程close(pipefd[0]);char buff[1024] = {0};fgets(buff, sizeof(buff), stdin);write(pipefd[1], buff, strlen(buff));close(pipefd[1]);wait(NULL);} else if(pid == 0) { // 子进程close(pipefd[1]);char buff[1024] = {0};read(pipefd[0], buff, sizeof(buff));printf("%s\n", buff);close(pipefd[0]);}return 0;
}
3. 有名管道通信示例
写端
int fd = open("./myfifo", O_WRONLY);
char buff[1024] = {0};
fgets(buff, sizeof(buff), stdin);
write(fd, buff, strlen(buff));
close(fd);
读端
int fd = open("./myfifo", O_RDONLY);
char buff[1024] = {0};
read(fd, buff, sizeof(buff));
printf("%s\n", buff);
close(fd);
四、Tips
代码设计原则：
高内聚：增强复用性
低耦合：模块间关联度低
开闭原则：对扩展开放，对修改关闭
互斥锁初始化：可以使用系统宏
PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER内存初始化：
void *memset(void *s, int c, size_t n);
功能：将内存区域填充指定数据
通信方式分类：
单工：广播
半双工：对讲机
全双工：打电话