Linux和windows进程同步与线程同步那些事儿（三）： Linux线程同步详解示例

在Linux中，线程同步可以通过多种机制来实现，其中最常见的包括互斥锁（mutex）、条件变量（condition variable）和信号量（semaphore）。

1. 互斥锁（Mutex）：

互斥锁是最常用的线程同步机制，它可以确保在同一时间只有一个线程可以访问共享资源。
在Linux中，可以使用pthread_mutex_t类型的互斥锁来实现线程同步。

代码示例：

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

int global_variable = 0;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void* thread_function(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        // 加锁
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        
        // 修改全局变量
        global_variable++;
        
        // 解锁
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread1, thread2;
    
    // 初始化mutex
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    
    // 创建两个线程
    pthread_create(&thread1, NULL, thread_function, NULL);
    pthread_create(&thread2, NULL, thread_function, NULL);
    
    // 等待线程结束
    pthread_join(thread1, NULL);
    pthread_join(thread2, NULL);
    
    // 销毁mutex
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    
    printf("Global variable value: %d\n", global_variable);
    
    return 0;
}
 

2. 条件变量（Condition Variable）：

条件变量用于线程间的通信和同步，允许线程等待某个特定条件的发生。
在Linux中，可以使用pthread_cond_t类型的条件变量来实现线程同步。

条件变量是一种同步机制，它允许线程在满足特定条件之前等待，并在条件满足时被其他线程通知。

示例代码：演示如何使用条件变量来控制多线程修改全局变量的值：

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

int global_var = 0;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;


void* thread_function(void* arg)
{
    int new_value = *(int*)arg;
    
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    
    // 等待条件满足
    while (global_var != 0)
    {
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
    }
    
    // 修改全局变量的值
    global_var = new_value;
    
    printf("Thread %d has modified global_var to %d\n", pthread_self(), global_var);
    
    // 通知其他线程条件已经满足
    pthread_cond_broadcast(&cond);
    
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    
    return NULL;
}


int main()
{
    pthread_t thread1, thread2;
    int value1 = 123, value2 = 456;
    
    // 创建两个线程
    pthread_create(&thread1, NULL, thread_function, &value1);
    pthread_create(&thread2, NULL, thread_function, &value2);
    
    pthread_join(thread1, NULL);
    pthread_join(thread2, NULL);
    
    printf("Final value of global_var is %d\n", global_var);
    
    return 0;
}

在上面的代码中，有两个线程分别调用thread_function函数。此函数接收一个整数参数作为新的全局变量值。线程首先获得互斥锁并进入临界区，然后使用pthread_cond_wait函数等待条件满足。只有当全局变量global_var的值为0时，线程才被允许修改这个变量的值。一旦满足这个条件，线程就会修改全局变量的值，并通过pthread_cond_broadcast函数通知其他等待这个条件的线程。最后，线程释放互斥锁并退出。

在main函数中，我们创建了两个线程并等待它们完成。然后，我们打印最终的全局变量值。

通过使用条件变量，我们可以确保全局变量只能在满足特定条件时被修改，从而避免竞态条件和数据竞争的问题。

请注意，上述代码只是一个示例，用于说明如何使用条件变量来控制多线程修改全局变量的值。在实际的应用中，您可能还需要考虑其他方面，如错误处理和性能优化等。

3. 信号量（Semaphore）：

信号量是一种经典的线程同步机制，它可以用于控制对共享资源的访问。
在Linux中，可以使用sem_t类型的信号量来实现线程同步。

在Linux下，我们可以使用信号量来实现对多线程修改全局变量的值的控制。信号量是一种用于进程间同步和互斥的机制，可以用来控制对共享资源的访问。

信号量可以分为二进制信号量和计数信号量。二进制信号量只能取0或1，用于互斥操作。计数信号量可以取多个非负整数值，用于同步操作。

下面是一个简单的示例代码，实现了两个线程对全局变量进行自增操作的互斥控制：

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

int global_var = 0;
sem_t sem;

void* thread_func(void* arg) {
    int i;
    for (i = 0; i < 100000; i++) {
        sem_wait(&sem); // 等待信号量，若为0则阻塞
        global_var++;
        sem_post(&sem); // 释放信号量，唤醒等待的线程
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread1, thread2;

    sem_init(&sem, 0, 1); // 初始化信号量，初始值为1

    pthread_create(&thread1, NULL, thread_func, NULL);
    pthread_create(&thread2, NULL, thread_func, NULL);

    pthread_join(thread1, NULL);
    pthread_join(thread2, NULL);

    sem_destroy(&sem); // 销毁信号量

    printf("Global variable value: %d\n", global_var);

    return 0;
}

在上面的示例中，我们首先通过 sem_init 函数初始化了一个计数信号量 sem，初始值为1。然后创建了两个线程，并通过 pthread_create 函数将其与 thread_func 函数绑定。thread_func 函数中通过 sem_wait 函数等待信号量，当信号量的值为0时则阻塞，否则减1并继续执行。在对全局变量进行自增操作后，通过 sem_post 函数释放信号量，唤醒等待的线程。最后，通过 sem_destroy 函数销毁信号量。

运行该程序，两个线程会对全局变量 global_var 进行自增操作，由于信号量的存在，每次只能有一个线程能够修改该变量，从而实现了对全局变量访问的互斥控制。最终输出的全局变量值应为 200000。

需要注意的是，信号量的使用需要谨慎，错误的使用可能导致死锁等问题。确保在必要的时候对信号量加锁和解锁，并根据实际需求选择合适的信号量类型。

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这些线程同步机制都可以通过Linux提供的pthread库来使用。在实际编程中，选择合适的线程同步机制取决于具体的应用场景和需求，以确保线程间的安全访问和协调。

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拓展：
在 Linux 中编译依赖 pthread 库的程序，可以使用以下命令行表达式来编译：

gcc -o output_file source_file.c -lpthread

其中，output_file 是编译后生成的可执行文件的文件名，source_file.c 是需要编译的源代码文件的文件名。

选项 -lpthread 表示链接 pthread 库，将其加入到编译过程中。

如果源文件有多个，可以将它们一一列出来，例如：

gcc -o output_file source_file1.c source_file2.c -lpthread