互斥锁

互斥锁（也称互斥量）可以用于保护关键代码段，以确保其独占式的访问，这有点个二进制信号量（见13.5.1小节)。当进人关键代码段时，我们需要获得互斥锁并将其加这等价于二进制信号量的Р操作﹔当离开关键代码段时，我们需要对互斥锁解锁，以唤他等待该互斥锁的线程，这等价于二进制信号量的V操作。

       int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
       int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,
              const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
       pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
              int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
       int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
       int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

这些函数的第一个参数mutex指向要操作的目标互斥锁，互斥锁的类型是pthread_mutex_t结构体。

pthread_mutex_init函数用于初始化互斥锁。mutexattr参数指定互斥锁的属性。如果将它设置为NULL，则表示使用默认属性。我们将在下一小节讨论互斥锁的属性。除了这个函数外，我们还可以使用如下方式来初始化一个互斥锁:
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
宏PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER实际上只是把互斥锁的各个字段都初始化为0。

pthread_mutex_destroy函数用于销毁互斥锁，以释放其占用的内核资源。销毁一个已经加锁的互斥锁将导致不可预期的后果。

pthread_mutex_lock函数以原子操作的方式给一个互斥锁加锁。如果目标互斥锁已经被锁上，则pthread_mutex_lock调用将阻塞，直到该互斥锁的占有者将其解锁。

pthread_mutex_trylock 与pthread_mutex_lock函数类似，不过它始终立即返回，而不论被操作的互斥锁是否已经被加锁，相当于pthread_mutex_lock 的非阻塞版本。当目标互斥锁未被加锁时，pthread_mutex_trylock对互斥锁执行加锁操作。当互斥锁已经被加锁时,pthread_mutex_trylock将返回错误码EBUSY。需要注意的是，这里讨论的pthread_mutex_lock 和pthread_mutex_trylock 的行为是针对普通锁而言的。后面我们将看到，对于其他类型的锁而言，这两个加锁函数会有不同的行为。
pthread_mutex_unlock 函数以原子操作的方式给一个互斥锁解锁。如果此时有其他线程正在等待这个互斥锁，则这此线程中的某一个将获得它.

互斥锁的属性

 #include <pthread.h>

       int pthread_mutexattr_destroy(pthread_mutexattr_t *attr);
       int pthread_mutexattr_init(pthread_mutexattr_t *attr);
         int pthread_mutexattr_getpshared(const pthread_mutexattr_t *
              restrict attr, int *restrict pshared);
       int pthread_mutexattr_setpshared(pthread_mutexattr_t *attr,
              int pshared);
        int pthread_mutexattr_gettype(const pthread_mutexattr_t *restrict attr,
              int *restrict type);
       int pthread_mutexattr_settype(pthread_mutexattr_t *attr, int type);

只讨论常用属性：pshared and type

pshared：
PTHREAD_PROCESS_SHARED。互斥锁可以被跨进程共享。
PTHREAD_PROCESS_PRIVATE。互斥锁只能被和锁的初始化线程隶属于同一个进程的线程共享。

PTHREAD_PROCESS_SHARED。互斥锁可以被跨进程共享。
PTHREAD_PROCESS_PRIVATE。互斥锁只能被和锁的初始化线程隶属于同一个进程的线程共享。

斥锁属性 type指定互斥锁的类型。Linux支持如下4种类型的互斥锁:
PTHREAD_MUTEX_NORMAL，普通锁。这是互斥锁默认的类型。当一个线程对一个普通锁加锁以后，其余请求该锁的线程将形成一个等待队列，并在该锁解锁后按优先级获得它。这种锁类型保证了资源分配的公平性。但这种锁也很容易引发问题:一个线程如果对一个已经加锁的普通锁再次加锁，将引发死锁;对一个已经被其他线程加锁的普通锁解锁，或者对一个已经解锁的普通锁再次解锁，将导致不可预期的后果。
PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK，检错锁。一个线程如果对一个已经加锁的检错锁再次加锁，则加锁操作返回EDEADLK。对一个已经被其他线程加锁的检错锁解锁，或者对一个已经解锁的检错锁再次解锁，则解锁操作返回EPERM
PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE，嵌套锁。这种锁允许一个线程在释放锁之前多次对它加锁而不发生死锁。不过其他线程如果要获得这个锁，则当前锁的拥有者必须执行相应次数的解锁操作。对一个已经被其他线程加锁的嵌套锁解锁，或者对一个已经解锁的嵌套锁再次解锁，则解锁操作返回EPERM。
PTHREAD_MUTEX_DEFAULT，默认锁。一个线程如果对一个已经加锁的默认锁再次加锁，或者对一个已经被其他线程加锁的默认锁解锁，或者对一个已经解锁的默认锁再次解锁，将导致不可预期的后果。这种锁在实现的时候可能被映射为上面三种锁之一。

条件变量

如果说互斥锁是用于同步线程对共享数据的访问的话，那么条件变量则是用于在线程之间同步共享数据的值。条件变量提供了一种线程间的通知机制:当某个共享数据达到某个值的时候，唤醒等待这个共享数据的线程。

  #include <pthread.h>

       int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
       int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,
              const pthread_condattr_t *restrict attr);
       pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
        int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
       int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
       int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t* mutex)

pthread_cond_broadcast 函数以广播的方式唤醒所有等待目标条件变量的线程。pthreadcond_signal函数用于唤醒一个等待目标条件变量的线程。至于哪个线程将被唤醒，则取决于线程的优先级和调度策略。
有时候我们可能想唤醒一个指定的线程，但pthread没有对该需求提供解决方法。不过我们可以间接地实现该需求﹔定义一个能够唯一表示目标线程的全局变量，在唤醒等待条件变量的线程前先设置该变量为目标线程，然后采用广播方式唤醒所有等待条件变量的线程，这些线程被唤醒后都检查该变量以判断被唤醒的是否是自己，如果是就开始执行后续代码，如果不是则返回继续等待。

pthread_cond_wait函数用于等待目标条件变量。mutex参数是用于保护条件变量的互斥锁，以确保pthread_cond_wait操作的原子性。在调用pthread_cond_wait前，必须确保互斥锁mutex 已经加锁，否则将导致不可预期的结果。pthread_cond_wait 函数执行时，首先把调用线程放人条件变量的等待队列中，然后将互斥锁mutex解锁。可见，从pthread_cond_wait开始执行到其调用线程被放入条件变量的等待队列之间的这段时间内，pthread_cond_signal和pthread_cond_broadcast等函数不会修改条件变量。换言之，pthread_cond_wait 函数不会错过目标条件变量的任何变化”。当pthread_cond_wait 函数成功返回时，互斥锁mutex将再次被锁上。

线程关系

可重入函数

如果一个函数能被多个线程同时调用且不发生竞态条件，则我们称它是线程安全的( thread safe)，或者说它是可重入函数。Linux库函数只有一小部分是不可重入的，关于Linux上不可重人的库函数的完整列表，请读者参考相关书籍，这里不再赘述。这些库函数之所以不可重入，主要是因为其内部使用了静态变量。不过Linux对很多不可重人的库函数提供了对应的可重人版本，这些可重人版本的函数名是在原函数名尾部加上_r。比如，函数localtime对应的可重入函数是localtime_r。在多线程程序中调用库函数，一定要使用其可重人版本．否则可能导敬预相不到的结果。

线程和进程

思考这样一个问题:如果一个多线程程序的某个线程调用了fork函数，那么新创建的子进程是否将自动创建和父进程相同数量的线程呢﹖答案是“否”，正如我们期望的那样。子进程只拥有一个执行线程，它是调用fork 的那个线程的完整复制。并且子进程将自动继承父进程中互斥锁（条件变量与之类似）的状态。也就是说，父进程中已经被加锁的互斥锁在子进程中也是被锁住的。这就引起了一个问题:子进程可能不清楚从父进程继承而来的互斥锁的具体状态（是加锁状态还是解锁状态)。这个互斥锁可能被加锁了，但并不是由调用fork函数的那个线程锁住的，而是由其他线程锁住的。
不过，pthread提供了一个专门的函数pthread_atfork，以确保fork调用后父进程和子进程都拥有一个清楚的锁状态。该函数的定义如下:

int pthread_atfork(void(prepare)(void),void(parent)(void),void(child)(void))

该函数将建立3个fork句柄来帮助我们清理互斥锁的状态。prepare句柄将在fork调用创建出子进程之前被执行。它可以用来锁住所有父进程中的互斥锁。parent句柄则是fork调用创建出子进程之后，而 fork返回之前，在父进程中被执行。它的作用是释放所有在prepare句柄中被锁住的互斥锁。child句柄是fork返回之前，在子进程中被执行。和parent句柄一样，child句柄也是用于释放所有在prepare句柄中被锁住的互斥锁。该函数成功时返回0，失败则返回错误码

线程与信号

每个线程都可以独立地设置信号掩码。我们在这个博客讨论过设置进程信号掩码的函数sigprocmask，但在多线程环境下我们应该使用如下所示的pthread版本的sigprocmask函数来设置线程信号掩码:

int pthread_sigmask(int how,const sigset_t* newmask,sigset_t* oldmask);

由于进程中的所有线程共享该进程的信号，所以线程库将根据线程掩码决定把信号发送给哪个具体的线程。因此，如果我们在每个子线程中都单独设置信号掩码，就很容易导致逻辑错误。此外，所有线程共享信号处理函数。也就是说，当我们在一个线程中设置了某个信号的信号处理函数后，它将覆盖其他线程为同一个信号设置的信号处理函数。这两点都说明，我们应该定义一个专门的线程来处理所有的信号。这可以通过如下两个步骤来实现:
l)在主线程创建出其他子线程之前就调用pthread_sigmask来设置好信号掩码，所有新创建的子线程都将自动继承这个信号掩码。这样做之后，实际上所有线程都不会响应被屏蔽的信号了。
2).sig_wait(const sigset_t* set,int* sig)
set参数指定需要等待的信号的集合。我们可以简单地将其指定为在第1步中创建的信号掩码，表示在该线程中等待所有被屏蔽的信号。参数sig 指向的整数用于存储该函数返回的信号值。sigwait成功时返回0，失败则返回错误码。一旦sigwait正确返回，我们就可以对接收到的信号做处理了。很显然，如果我们使用了sigwait，就不应该再为信号设置信号处理函数了。这是因为当程序接收到信号时，二者中只能有个起作用。