• 互斥量加锁->XX操作->触发条件变量->互斥量解锁

• 互斥量加锁->等待条件变量->XX操作->互斥量解锁

2.4 条件变量定义与初始化

• pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

• 头文件：pthread.h
• int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *attr);

• cond：条件变量
• attr：条件变量属性，若为NULL，则使用默认属性
• 成功返回0；出错返回错误码

• 头文件：pthread.h
• int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);

• cond：条件变量
• mutex：互斥量
• 成功返回0；出错返回错误码

• 条件变量的使用场景伴随共享资源的使用，例如全局变量
• 在调用pthread_cond_wait前，需要使互斥量处于加锁状态，这样可以通过原子操作的方式，将调用线程放到该条件变量等待线程队列（临界资源）中

• 调用pthread_mutex_lock
• 调用pthread_cond_wait
• 调用pthread_mutex_unlock

◼调用pthread_cond_wait函数后内核自动执行的操作：

• 在线程阻塞等待条件变量之前，调用pthread_mutex_unlock
• 若条件变量被其他线程触发，在该线程被唤醒后，调用pthread_mutex_lock

 

2.7 触发条件变量

◼pthread_cond_signal和pthread_cond_broadcast可以触发条件变量并唤醒等待条件变量的线程

◼pthread_cond_signal唤醒该条件变量等待线程队列中的某一个线程

◼pthread_cond_broadcast唤醒该条件变量等待线程队列中的所有线程，这些线程会进行竞争

◼函数原型

• 头文件： pthread.h
• int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
• int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

◼参数与返回值

• cond：条件变量
• 成功返回0；出错返回错误码

3 读写锁

3.1 读者-写者问题

◼ 问题描述：

⚫在对临界资源的访问中，更多的是读操作，而写操作较少，只有互

斥量机制可能会影响访问效率

⚫期望对临界资源的访问控制粒度更精细，任一时刻允许多个线程对

临界资源进行读操作，但只允许一个线程对临界资源进行写操作

◼ 互斥关系：

⚫读操作-写操作互斥

⚫写操作-写操作互斥

⚫读操作-读操作不互斥

◼ 同步关系：

⚫缓冲区不满，才允许写操作；缓冲区不空，才允许读操作

3.2 读写锁通信机制

◼在保证互斥的基础上，Linux提供了对临界资源访问控

制粒度更细的读写锁机制

◼读写锁机制可以实现如下访问控制规则：

⚫如果有线程对互斥资源进行读操作，则允许其它线程执行读

操作，但不允许任何线程进行写操作

⚫如果有线程对互斥资源进行写操作，则不允许任何线程进行

读操作或写操作

 

3.3 读写锁的操作

◼读写锁的操作与互斥量的操作非常类似

• 定义读写锁变量
• 初始化读写锁变量
• 访问临界资源（读操作或写操作）前对读写锁加锁
• 访问临界资源后对读写锁解锁
• 销毁读写锁变量

◼读写锁的加锁操作在互斥量加锁的基础上扩展，具有加读锁和加写锁两种操作

• 如果有线程已经成功对读写锁加读锁，其它线程可以继续对该读写锁加读锁，但不能再加写锁（加写锁的线程可能会被阻塞）
• 如果有线程已经成功对读写锁加写锁，则其它线程不能对该读写锁加读锁和加写锁

3.3.1 读写锁的初始化和销毁

◼头文件： pthread.h

◼定义读写锁变量 pthread_rwlock_t rwlock;

◼初始化读写锁变量

int pthread_rwlock_init (pthread_rwlock_t *__restrict __rwlock, __const pthread_rwlockattr_t *__restrict __attr);

◼销毁读写锁变量

int pthread_rwlock_destroy (pthread_rwlock_t *__rwlock);

◼返回值：成功返回0，否则返回错误码

3.3.2 加读锁

◼头文件：pthread.h

◼阻塞加读锁

int pthread_rwlock_rdlock (pthread_rwlock_t *__rwlock);

◼非阻塞加读锁

int pthread_rwlock_tryrdlock (pthread_rwlock_t *__rwlock);

◼限时加读锁

int pthread_rwlock_timedrdlock (pthread_rwlock_t *__restrict __rwlock, __const struct timespec *__restrict __abstime);

3.3.3 加写锁

◼头文件：pthread.h

◼阻塞加写锁

int pthread_rwlock_wrlock (pthread_rwlock_t *__rwlock);

◼非阻塞加写锁

int pthread_rwlock_trywrlock (pthread_rwlock_t *__rwlock);

◼限时等待加写锁

int pthread_rwlock_timedwrlock (pthread_rwlock_t *__restrict __rwlock, __const struct timespec *__restrict __abstime);

3.3.4 读写锁解锁

◼头文件：pthread.h

int pthread_rwlock_unlock (pthread_rwlock_t *__rwlock);

◼如何确定是为读锁解锁还是为写锁解锁？

• 加锁（读锁/写锁）与解锁配对出现，为代码中距离最近的加锁操作解锁

4 Linux进程间通信机制概述

4.1 Linux进程间通信机制

4.2 管道

◼管道是最古老、最简单的UNIX进程间通信机制

◼管道是一种特殊文件

◼管道的局限性

• 半双工：一个进程写，一个进程读
• 只能在父子进程之间使用

4.2.1 创建管道

◼函数原型

• 头文件：unistd.h
• int pipe(int fildes[2]);

◼参数：

• 程序通过文件描述符fildes[0]和fildes[1]来访问管道
• filedes[0]只能用于管道读操作，filedes[1]只能用于管道写操作
• 写入fildes[1]的数据可以按照先进先出的顺序从fildes[0]中读出

◼返回值：成功返回0，出错返回- 1

 

4.3 命名管道（FIFO）

 ◼管道只能在父子进程之间使用

◼FIFO也被称为命名管道， FIFO是一种特殊的文件（创建FIFO类似于创建文件，FIFO的路径名存在于文件系统中）

◼创建FIFO之后可以通过文件I/O对其进行操作

◼非父子进程可以通过文件名来使用FIFO 

4.3.1 创建FIFO

◼函数原型

• 头文件：sys/types.h，sys/stat.h
• int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode) ;

◼参数：

• pathname：文件名（绝对路径）
• mode：文件类型、权限等

◼返回值：成功返回0，出错返回- 1

 

4.4 XSI IPC机制

◼信号量集（semaphore set），用于实现进程之间的同步与互斥

◼共享内存（shared memory），用于在进程之间高效地共享数据，适用于数据量大，速度要求高的场景

◼消息队列（message queue），进程之间传递数据的一种简单方法

 

4.5 IPC对象

 

4.6 IPC对象的key值和ID

◼Linux系统中的IPC对象都是全局的，为每个IPC对象分配唯一的ID

◼在IPC操作中通信各方需要通过ID来指示操作的IPC对象，需要有机制让通信各方获取获取IPC对象的ID

◼创建IPC对象的进程通过创建IPC对象函数的返回值可获取ID值

◼未创建IPC对象的进程如何获取IPC对象的ID值并使用该对象呢？

 ◼IPC机制的ID值为动态分配，无法提前约定，不能跨进程传递

◼多个进程提前约定使用相同的key值做为参数来创建IPC对象或打开已经创建的IPC对象

◼如果通信各方（进程）在创建/打开IPC对象时使用相同的key值：  

• 首次使用该key值创建IPC对象的进程将真正创建该IPC对象，并获取其ID值
• 后续使用该key值创建IPC对象的进程都将在内核中找到该IPC对象并打开它，从而获取ID值

◼IPC对象与key值一一对应，因此key值不能重复

◼通过ftok函数来产生独特的key值，避免重复

• 头文件： sys/types.h，sys/ipc.h
• key_t ftok( char * pathname, int proj_id )

◼参数

•   pathname是指定的文件名，可以是特殊文件也可以是目录文件）
•  proj_id是子序号  

◼如果要确保key_t值不变，需要确保ftok所指定的文件名不被删除

4.7 XSI IPC机制使用概述

5 消息队列

◼进程之间传递数据的一种简单方法

◼把每个消息看作一个记录，具有特定的格式

◼消息队列就是消息的链表

◼对消息队列有写权限的进程可以按照一定的规则

添加新消息

◼对消息队列有读权限的进程则可以从消息队列中

读走消息

◼消息队列能够克服管道或命名管道机制的一些缺

点，例如实时性差等

 

5.1 消息队列结构

 

5.2 消息队列操作

◼ 头文件：sys/types.h，sys/ipc.h，sys/msg.h

◼ 打开或创建消息队列对象

int msgget(key_t key, int msgflg)

◼ 从消息队列接收消息

int msgrcv(int msqid, struct msgbuf *msgp, int msgsz, long msgtyp, int msgflg);

◼ 向消息队列发送消息

int msgsnd(int msqid, struct msgbuf *msgp, int msgsz, int msgflg);

◼ 消息队列控制操作

msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

 

5.2.1 创建消息队列

int msgget(key_t key, int oflag);

◼ 返回值：成功返回创建或打开的消息队列对象ID；出错返回-1

◼ 参数：

• key：创建或打开消息队列对象时指定的key值（提前约定或通过ftok函数创建）
• Oflag：设置访问权限，取值可以为以下一个或多个值的或

      #define IPC_R     000400   读权限

      #define IPC_W    000200   写和修改权限

      #define IPC_M     010000   改变控制方式权限

      还可以附加以下参数值（按位或）

      IPC_CREAT（如果消息队列对象不存在则创建，否则打开已经存在的消息队列对象）

      IPC_EXCL（只有消息队列对象不存在的时候，才能创建新的消息队列对象，否则就产生错误）

      IPC_NOWAIT（如果操作需要等待，则直接返回错误）

 

5.2.2 发送消息到消息队列

int msgsnd(int msgid, const void *ptr, size_t length, int flag);

◼返回值：成功返回0；出错返回-1

◼参数：

• msgid：消息队列ID
• ptr：指向msgbuf的结构体指针（其中消息类型mtype必须大于0，小于0的消息类型有特殊的指示作用）

              struct msgbuf {

                                         long mtype;

                                         char mtext[ ];};

• length：以字节为单位指定待发送消息的长度（msgbuf结构体中消息类型mtype之后的用户自定义数据的长度），该长度可以为0
• flag：可以是0，也可以是IPC_NOWAIT（该标志可以使函数工作在非阻塞模式）

出现以下情况时：

• 指定的消息队列容量已满

• 在系统范围存在太多的消息

若设置了IPC_NOWAIT，则msgsnd立即返回（返回EAGAIN错误）

若未指定该标志，则msgsnd导致调用进程阻塞，直到可以发送成功为止

 

5.2.3 从消息队列接收消息

ssize_t msgrcv(int msqid, void *ptr, size_t length, long type, int flag);

◼返回值：成功返回实际读取数据的字节数；出错返回-1

◼参数：

• msgid：消息队列ID
• ptr：消息缓冲区指针，指向msgbuf的结构体指针
• length：消息缓冲区中数据部分的大小（msgbuf结构体中消息类型mtype之后的用户自定义数据的长度）
• type：指定期望从消息队列中接收什么样的消息

                  type为0，返回队列中第一个消息（消息队列是一个FIFO链表，所以返回的是队列中最早的消息）

                  type大于0，返回消息队列中类型值为type的第一个消息

                  type小于0，返回消息队列中类型值小于或等于type绝对值中类型值最小的第一个消息

 

• flag：当消息队列中没有期望接收的消息时会如何操作

                  若设置了IPC_NOWAIT标志，则函数立即返回ENOMSG错误

                  若未设置IPC_NOWAIT标志，否则msgrcv导致调用进程阻塞直到如下某个事件发生：

                                       1.有其他进程向消息队列中发送了所期望接收的消息

                                       2.该消息队列被删除，此时返回EIDRM错误

                                       3.进程被某个信号中断，此时返回EINTR错误

 

5.2.4 消息队列参考代码：消息发送者

5.2.5 消息队列参考代码：消息接收者

 

6 信号量集

6.1 操作系统中任务资源共享情况

◼临界资源：在一段时间内只允许一个任务访问的资源。诸任务间应采取互斥方式，实现对资源的共享。

◼共享资源：允许多个任务同时访问同一种资源的多个实例

 

6.2 信号量

◼信号量一般分为三种类型：

• 互斥信号量：任务之间互斥访问临界资源
• 计数信号量：任务之间竞争访问共享资源
• 二值信号量：任务之间的同步机制

 ◼信号量是操作系统提供的管理资源共享的有效手段

◼信号量作为操作系统核心代码执行，其地位高于任务，任务调度不能终止其运行  

 

6.2.1 信号量的实现

◼信号量s一般包含以下成员：

• 整数值s.count（实现资源计数）
• 任务阻塞队列s.queue

◼信号量操作：初始化、P操作、V操作

• 在进程初始化信号量将s.count指定为一个非负整数值，表示可用的共享资源实例总数

◼运行中s.count可为负值（其绝对值表示当前等待访问该共享资源的进程数）

 

6.2.2 互斥信号量

 

6.2.3 计数信号量

6.2.4 二值信号量

 

6.3 XSI IPC信号量集结构

6.4 XSI IPC信号量集操作

◼头文件：sys/types.h，sys/ipc.h，sys/sem.h

◼创建或打开信号量集对象

int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

◼信号量集操作（信号量的PV操作）

int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);

◼信号量集控制（信号量初始化和删除操作）

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, union semun arg);

 

6.4.1 semget函数

◼头文件：sys/sem.h

int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

◼返回值：成功返回创建或打开的信号量集对象（IPC对象）ID；失败返回-1

◼参数：

• key：用于创建或打开信号量集对象时指定的key值（约定或通过ftok函数创建）
• nsems：信号量集对象中包含的信号量数量（例如取值为1，则信号量集只包含1个信号量）

• semflg：设置访问权限，取值可以为以下某个值或多个值的或

                    #define IPC_R       000400     读权限

                    #define IPC_W      000200     写和修改权限

                    #define IPC_M       010000     改变控制方式权限

                    还可以附加以下参数值（按位或）

                            IPC_CREAT（若信号量集对象不存在则创建，否则打开已经存在的信号量集对象）

                            IPC_EXCL（若信号量集对象不存在则创建，否则出错）

                            IPC_NOWAIT（如果本操作需要等待，则直接返回错误）

 

◼semget函数示例代码

#include<stdio.h>

#include<sys/sem.h>

#define MYKEY 0x1a0a

int main()

{

int semid;

semid=semget(MYKEY,1,IPC_CREAT|IPC_R | IPC_W| IPC_M);

printf("semid=%d\n",semid);

return 0;

}

6.4.2 semop函数

◼头文件：sys/types.h,sys/ipc.h,sys/sem.h

int semop(int semid, struct sembuf sops[ ], size_t nsops);

◼返回值：成功返回0；失败返回-1

◼参数：

• semid：信号量集对象ID（semget的返回值）
• sops：指向sembuf结构数组的指针
• nsops：第二个参数中sembuf结构数组的元素个数

◼sembuf结构：

• unsigned short sem_num; 信号量序号，指示本次是操作信号量集中的哪个信号量（序号从0开始）
• short sem_op;信号量操作码

            该值为正，信号量V操作，增加信号量的值（为n，则加n）

            该值为负，信号量P操作，减小信号量的值（为-n，则减n）

            该值为0，对信号量的当前值是否为0的测试

• short sem_flg;semop操作控制标志

◼ sem_flg对semop操作进行控制，主要有2个控制标志

• IPC_NOWAIT

           当指定的PV操作不能完成时，进程不会被阻塞，semop函数立即返回。返回值为-1，errno置为EAGAIN。

           例如：信号量值在P操作后小于0，如果操作控制标志没有设置IPC_NOWAIT，则将调用进程阻塞，semop函数将不会返回直到资源可用为止；若设置了IPC_NOWAIT，则semop函数直接返回，调用进程将不会阻塞

• SEM_UNDO

           进程异常退出时，执行信号量解除（undo）操作

           例如：进程执行了P操作后异常退出，如果操作控制标志设置了SEM_UNDO，则内核会对该进程执行V操作，保证安全性

 

semop函数示例：实现P操作

 

semop函数示例：实现V操作

 

6.4.3 semctl函数

◼头文件：sys/types.h,sys/ipc.h,sys/sem.h

int semctl(int semid, int semnum, int cmd,union semun arg);

◼返回值：成功返回值大于或等于0；失败返回值-1

◼参数：

• semid：信号量集对象的ID（semget的返回值）
• semnum：信号量集中信号量的编号（如果控制是针对整个信号量集，则将该值设置为0）
• cmd：要执行的控制命令
• arg：与控制命令配合的参数（可选）

◼cmd：要执行的控制命令

• 针对整个信号量集的控制命令主要包括：

                IPC_RMID，删除

                IPC_SET，设置ipc_perm参数

                IPC_STAT，获取ipc_perm参数

                IPC_INFO，获取系统信息

• 针对信号量集中某个信号量的控制命令主要包括：

                SETVAL，设置信号量的值（一般用于信号量初始化时设置初始值）

                GETVAL，获取信号量的值

                GETPID，获取信号量拥有者进程的PID值

◼ arg：与控制命令配合的参数

union semun{

                        int val;

                        struct semid_ds *buf;

                        unsigned short *arry;

};

◼ semctl函数的控制命令通常为以下两种情况：

•  SETVAL：用来把信号量集中的某个信号量初始化为一个给定值， 这个值通过arg参数（union semun中的val成员）来指定
•  IPC_RMID：用于删除信号量集对象，此时arg参数无需赋值

7 共享内存

7.1 共享内存

 ◼共享内存是内核为进程间通信创建的特殊内存段  

◼不同进程可以将同一段共享内存连接到自己的地址空间

◼最快的进程间通信方式

◼本身不具有互斥访问机制  

 

7.2 共享内存的操作

◼头文件：sys/types.h，sys/ipc.h，sys/shm.h

◼打开或创建共享内存对象

int shmget(key_t key, int size, int flag);

◼将共享内存连接到进程空间

void *shmat(int shmid, void *addr, int flag);

◼断开进程空间和共享内存的连接

int shmdt(void *addr);

◼共享内存控制操作

int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

 

7.2.1 shmget函数

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflag)

◼成功返回创建或打开的共享内存标识符；失败返回-1

◼参数：

• key：创建或打开共享内存对象时指定的key值（提前约定或通过ftok函数创建）
• size：指定创建的共享内存大小（首次创建共享内存对象时通过该参数指定共享内存段的大小）
• shmflag：设置共享内存的访问权限

◼shmflag：取值可以为以下一个或多个值的或

         #define IPC_R       000400     读权限

         #define IPC_W      000200     写和修改权限

         #define IPC_M       010000     改变控制方式权限

        还可以附加以下参数值（按位或）

              IPC_CREAT（若共享内存对象不存在则创建，否则打开已经存在的共享内存对象）

              IPC_EXCL（若共享内存对象不存在则创建，否则出错）

              IPC_NOWAIT（如果本操作需要等待，则直接返回错误）

 

7.2.2 shmat函数

void *shmat(int shm_id, const void *addr, int shmflg)

◼成功返回共享内存在进程空间中的连接地址；失败返回-1

◼参数：

• shm_id：共享内存对象ID
• addr：指明共享内存连接到的进程空间地址；通常指定为空指针，让Linux系统决定共享内存连接到进程空间中的哪个地址
• shmflg：可以设置以下两个标志位之一或者不设置（值为0）

                 – SHM_RND（ addr参数指定的地址应被规整到内存页面大小的整数倍）

                 – SHM_RDONLY（共享内存连接到进程空间时被限制为只读）

 

7.2.3 shmdt函数

int shmdt(const void *shmaddr) ;

◼成功返回0；失败返回-1

◼参数：

• shmaddr：共享内存在进程空间中的连接地址，一般为shmat函数返回的地址。

 

7.2.4 shmctl函数

int shmctl(int shm_id, int command, struct shmid_ds *buf) ;

◼成功返回0；失败返回-1

◼参数：

• shm_id：共享内存对象ID
• commad：执行的控制命令

                   IPC_RMID，从系统中删除该共享内存对象

                   IPC_STAT，获取共享内存对象的内核结构值

                   IPC_SET，设置共享内存对象的内核结构值

• buf：指向shmid_ds结构的指正，当控制命令为IPC_STAT或IPC_SET时，用于获取或设置共享内存对象的内核结构

 

7.3 应用实例：生产者/消费者问题

◼问题描述：进程之间通过共享缓冲池（包含一定数量的缓冲区）交换数据。其中，“生产者”进程不断写入，而“消费者”进程不断读出；任何时刻只能有一个任务可对共享缓冲池进行操作。

◼进程之间的共享缓冲池可以通过共享内存机制实现

◼缓冲池结构（5个缓冲区）

struct BufferPool

{

     char Buffer[5][100];//5个缓冲区

     int Index[5];/*缓冲区状态：

                                              为0表示对应的缓冲区未被生产者使用，可生产但不可消费

                                              为1表示对应的缓冲区已被生产者使用，不可生产但可消费*/

};

 

参考代码：消费者读取共享内存