线程同步与进程通信机制

在多线程编程和进程管理中，同步和通信机制至关重要，它们能有效避免资源冲突、提升程序效率。本文基于核心概念，系统阐述线程间同步、死锁及进程间通信（IPC）的原理与应用。

一、线程间同步机制

线程间同步确保多个线程在执行任务时具有先后顺序，防止并发访问共享资源导致数据不一致。信号量是实现同步的常用工具，其操作步骤如下：

1. 定义信号量对象：使用 sem_t 类型声明信号量变量。
2. 初始化信号量：调用 sem_init() 函数：
   • 函数原型：int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
   • 参数说明：
     • sem：信号量对象的地址。
     • pshared：0 表示线程间共享，非0 表示进程间共享。
     • value：信号量的初始值（资源数）。
   • 返回值：成功返回0，失败返回-1。
3. 申请和释放信号量：
   • P操作（申请）：sem_wait(sem_t *sem)，减少信号量值，若值为0则阻塞等待。
   • V操作（释放）：sem_post(sem_t *sem)，增加信号量值，唤醒等待线程。
4. 销毁信号量：调用 sem_destroy(sem_t *sem) 释放资源。

示例应用：创建三个线程，按顺序循环打印 "A" → "B" → "C"。

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

sem_t sem_a;
sem_t sem_b;
sem_t sem_c;

void *task1(void *arg) {
    while(1) {
        sem_wait(&sem_a);
        printf("A\n");
        sem_post(&sem_b);
        sleep(1);
    }
}

void *task2(void *arg) {
    while(1) {
        sem_wait(&sem_b);
        printf("B\n");
        sem_post(&sem_c);
        sleep(1);
    }
}

void *task3(void *arg) {
    while(1) {
        sem_wait(&sem_c);
        printf("C\n");
        sem_post(&sem_a);
        sleep(1);
    }
}

int main() {
    pthread_t tid[3];
    sem_init(&sem_a, 0, 1);
    sem_init(&sem_b, 0, 0);
    sem_init(&sem_c, 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_a);
    sem_destroy(&sem_b);
    sem_destroy(&sem_c);
    return 0;
}

此代码中，信号量初始值控制线程启动顺序：sem_a 初始为1，确保线程1先执行；后续通过PV操作实现链式唤醒。

二、死锁分析与解决

死锁指在多线程环境中，每个线程持有未释放资源，并请求对方资源，导致永久等待。常见现象包括忘记释放锁、重复加锁、多线程多锁抢占不当。

死锁必要条件：

1. 互斥条件：资源每次仅能被一个线程使用。
2. 请求与保持条件：线程阻塞时，不释放已持有资源。
3. 不剥夺条件：资源不能被强制剥夺。
4. 循环等待条件：线程间形成头尾相接的等待链。

解决方法：

1. 锁成对出现：确保每个加锁操作后都有解锁。
2. 固定加锁顺序：所有线程按相同顺序获取锁，破坏循环等待。
   • 示例：修改线程加锁顺序一致。

     void *threadB(void *arg) {
         pthread_mutex_lock(&lock1);  // 先获取lock1
         printf("Thread B: Got lock1, waiting for lock2...\n");
         sleep(1);
         pthread_mutex_lock(&lock2);  // 再获取lock2
         printf("Thread B: Got both locks!\n");
         pthread_mutex_unlock(&lock2);
         pthread_mutex_unlock(&lock1);
         return NULL;
     }
     

3. 使用非阻塞锁：如 pthread_mutex_trylock() 或 sem_trywait()，若锁被占用则释放自身锁。
   • 示例：

     void *threadA(void *arg) {
         while (1) {
             pthread_mutex_lock(&lock1);
             printf("Thread A: Got lock1, trying lock2...\n");
             if (pthread_mutex_trylock(&lock2)) {  // 尝试获取lock2
                 printf("Thread A: Failed, releasing lock1...\n");
                 pthread_mutex_unlock(&lock1);  // 释放自身锁
                 sleep(1);  // 重试
             } else {
                 printf("Thread A: Got both locks!\n");
                 pthread_mutex_unlock(&lock2);
                 pthread_mutex_unlock(&lock1);
                 break;
             }
         }
         return NULL;
     }
     

三、进程间通信机制

进程间空间独立，无法直接通信，需IPC机制实现数据交换。通信方法分为两类：

1. 同一主机进程间通信：

   • 古老方式：
     • 无名管道：仅用于亲缘关系进程（如父子进程）。
     • 有名管道：可任意进程间通信。
     • 信号：进程间通知机制。
   • IPC对象（System V）：
     • 共享内存：效率最高，直接映射内存区域。
     • 消息队列：消息传递机制。
     • 信号量集：用于同步控制。

2. 不同主机进程间通信：

   • Socket通信：基于网络协议实现。

管道通信详解：

• 有名管道：任意进程通用。
• 无名管道：仅限亲缘进程，操作流程：
  1. 创建管道：调用 pipe() 函数建立管道。
  2. 读写操作：父进程写管道（write()），子进程读管道（read()）。

此机制简单高效，适用于轻量级数据交换。实际应用中，需结合具体场景选择合适方法，如高并发优先共享内存，跨网络则用Socket。