1. 死锁
死锁是指多个线程因竞争资源而造成的一种互相等待的僵局。
1.1 死锁产生的主要原因
系统资源竞争：资源分配不当，以及系统资源的竞争导致系统资源不足，导致死锁；
进程运行推进顺序不合适：进程在运行过程中，请求和释放资源的顺序不当，导致死锁。
比如：
1.线程试图对同一个互斥量A加锁两次。
2.线程1拥有A锁，请求获得B锁；线程2拥有B锁，请求获得A锁
1.2 产生死锁的四个必要条件
互斥条件：一个资源一次只能被一个进程使用。
请求与保持条件： 进程已经保持了至少一个资源，又提出了新的资源请求，而该资源已经被其他进程占有。此时请求进程被阻塞，而对自己已获得的资源保持不放。
不可剥夺条件：进程所获得的资源在未使用完之前，不能被其他进程强行夺走，即只能由进程自己主动释放。
循环等待条件：若干进程间形成首尾相接循环等待资源的关系。
这四个条件是死锁的必要条件，只要系统发生死锁，这些条件必然成立，而”只要上述条件之一不满足，就不会发生死锁“。
1.3 死锁的避免与预防
死锁避免：
系统对进程发出每一个系统能够满足的资源申请进行动态检查，并根据检查结果决定是否分配资源，如果分配后系统可能发生死锁，则不予分配，否则予以分配。这是一种保证系统不进入死锁状态的动态策略。 在系统设计、进程调度等方面注意如何让这四个必要条件不成立，如何确定资源的合理分配算法，避免进程永久占据系统资源。此外，也要防止进程在处于等待状态的情况下占用资源。因此，对资源的分配要给予合理的规划。
死锁预防：
死锁预防是设法至少破坏产生死锁的四个必要条件之一，严格的防止死锁的出现。
死锁避免不那么严格的限制产生死锁的必要条件的存在，因为即使死锁的必要条件存在，也不一定发生死锁，死锁避免是在系统运行过程中注意避免死锁的最终发生。
2. 同步
2.1 线程同步概念
同步即协同步调，按预定的先后次序运行。
线程同步，指一个线程发出某一功能调用时，在没有得到结果之前，该调用不返回。同时其它线程为保证数据一致性，不能调用该功能。
所有“多个控制流，共同操作一个共享资源”的情况，都需要同步。
2.2 线程同步方式
2.2.1 互斥量mutex
每个线程在对资源操作前都尝试先加锁，成功加锁才能操作，操作结束解锁。
适用于线程可用的资源只有一个，需要互斥访问的情况
主要应用函数：
pthread_mutex_init函数
pthread_mutex_destroy函数
pthread_mutex_lock函数
pthread_mutex_trylock函数
pthread_mutex_unlock函数
2.2.2 读写锁
与互斥量类似，但读写锁允许更高的并行性。其特性为：写独占，读共享。 提高互斥锁在数据库系统数据访问（大量读，较少写）等应用领域的效率
读写锁状态：
一把读写锁具备三种状态：
1.读模式下加锁状态 (读锁)
2.写模式下加锁状态 (写锁)
3.不加锁状态
读写锁特性：
-
读写锁是“写模式加锁”时， 解锁前，所有对该锁加锁的线程都会被阻塞。
-
读写锁是“读模式加锁”时， 如果线程以读模式对其加锁会成功；如果线程以写模式加锁会阻塞。
-
读写锁是“读模式加锁”时， 既有试图以写模式加锁的线程，也有试图以读模式加锁的线程。那么读写锁会阻塞随后的读模式锁请求。优先满足写模式锁。读锁、写锁并行阻塞，写锁优先级高 读写锁也叫共享-独占锁。当读写锁以读模式锁住时，它是以共享模式锁住的；当它以写模式锁住时，它是以独占模式锁住的。写独占、读共享。 读写锁非常适合于对数据结构读的次数远大于写的情况。 主要应用函数：
pthread_rwlock_init函数
pthread_rwlock_destroy函数
pthread_rwlock_rdlock函数
pthread_rwlock_wrlock函数
pthread_rwlock_tryrdlock函数
pthread_rwlock_trywrlock函数
pthread_rwlock_unlock函数 以上7 个函数的返回值都是：成功返回0， 失败直接返回错误号。
pthread_rwlock_t类型 用于定义一个读写锁变量。
pthread_rwlock_t rwlock;
2.2.3 条件变量
条件变量本身不是锁！但它也可以造成线程阻塞。通常与互斥锁配合使用。给多线程提供一个会合的场所。
生产者消费者条件变量模型： 线程同步典型的案例即为生产者消费者模型，而借助条件变量来实现这一模型，是比较常见的一种方法。假定有两个线程，一个模拟生产者行为，一个模拟消费者行为。两个线程同时操作一个共享资源（一般称之为汇聚），生产向其中添加产品，消费者从中消费掉产品。
看如下示例，使用条件变量模拟生产者、消费者问题：
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
struct msg {
struct msg *next;
int num;
};
struct msg *head;
pthread_cond_t has_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void *consumer(void *p)
{
struct msg *mp;
for (;;) {
pthread_mutex_lock(&lock);
while (head == NULL) { //头指针为空,说明没有节点 可以为if吗
pthread_cond_wait(&has_product, &lock);
}
mp = head;
head = mp->next; //模拟消费掉一个产品
pthread_mutex_unlock(&lock);
printf("-Consume ---%d\n", mp->num);
free(mp);
sleep(rand() % 5);
}
}
void *producer(void *p)
{
struct msg *mp;
while (1) {
mp = malloc(sizeof(struct msg));
mp->num = rand() % 1000 + 1; //模拟生产一个产品
printf("-Produce ---%d\n", mp->num);
pthread_mutex_lock(&lock);
mp->next = head;
head = mp;
pthread_mutex_unlock(&lock);
pthread_cond_signal(&has_product); //将等待在该条件变量上的一个线程唤醒
sleep(rand() % 5);
}
}
int main(int argc, char *argv[])
{
pthread_t pid, cid;
srand(time(NULL));
pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);
pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);
pthread_join(pid, NULL);
pthread_join(cid, NULL);
return 0;
}
条件变量的优点：
相较于mutex而言，条件变量可以减少竞争。 如直接使用mutex，除了生产者、消费者之间要竞争互斥量以外，消费者之间也需要竞争互斥量，但如果汇聚（链表）中没有数据，消费者之间竞争互斥锁是无意义的。有了条件变量机制以后，只有生产者完成生产，才会引起消费者之间的竞争。提高了程序效率。
2.2.4 信号量
进化版的互斥锁（1 --> N）
由于互斥锁的粒度比较大，如果我们希望在多个线程间对某一对象的部分数据进行共享，使用互斥锁是没有办法实现的，只能将整个数据对象锁住。这样虽然达到了多线程操作共享数据时保证数据正确性的目的，却无形中导致线程的并发性下降。线程从并行执行，变成了串行执行。与直接使用单进程无异。
信号量，是相对折中的一种处理方式，既能保证同步，数据不混乱，又能提高线程并发。
主要应用函数：
sem_init函数
sem_destroy函数
sem_wait函数
sem_trywait函数
sem_timedwait函数
sem_post函数
使用信号量完成线程间同步，模拟生产者，消费者问题：
/*信号量实现 生产者 消费者问题*/
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <semaphore.h>
#define NUM 5
int queue[NUM]; //全局数组实现环形队列
sem_t blank_number, product_number; //空格子信号量, 产品信号量
void *producer(void *arg)
{
int i = 0;
while (1) {
sem_wait(&blank_number); //生产者将空格子数--,为0则阻塞等待
queue[i] = rand() % 1000 + 1; //生产一个产品
printf("----Produce---%d\n", queue[i]);
sem_post(&product_number); //将产品数++
i = (i+1) % NUM; //借助下标实现环形
sleep(rand()%3);
}
}
void *consumer(void *arg)
{
int i = 0;
while (1) {
sem_wait(&product_number); //消费者将产品数--,为0则阻塞等待
printf("-Consume---%d\n", queue[i]);
queue[i] = 0; //消费一个产品
sem_post(&blank_number); //消费掉以后,将空格子数++
i = (i+1) % NUM;
sleep(rand()%3);
}
}
int main(int argc, char *argv[])
{
pthread_t pid, cid;
sem_init(&blank_number, 0, NUM); //初始化空格子信号量为5
sem_init(&product_number, 0, 0); //产品数为0
pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);
pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);
pthread_join(pid, NULL);
pthread_join(cid, NULL);
sem_destroy(&blank_number);
sem_destroy(&product_number);
return 0;
}
