一、多进程vs多线程

1. 多线程的优缺点

• 多线程的优点

  1）无需跨进程边界；程序逻辑和控制方式简单；
  2）所有线程可以直接共享内存和变量等；
  3）线程方式消耗的总资源比进程方式好。

• 多线程的缺点

  1）每个线程与主程序共用地址空间，受限于2GB地址空间；
  2）线程之间的同步和加锁控制比较麻烦；一个线程的崩溃可能影响到整个程序的稳定性；
  3）到达一定的线程数程度后，即使再增加CPU也无法提高性能；
  4）线程能够提高的总性能有限，而且线程多了之后，线程本身的调度也是一个麻烦事儿，需要消耗较多的CPU 。

2. 多进程的优缺点

• 多进程的优点

  1）每个进程互相独立，不影响主程序的稳定性，子进程崩溃没关系；
  2）通过增加CPU，就可以容易扩充性能；
  3）可以尽量减少线程加锁/解锁的影响，极大提高性能，就算是线程运行的模块算法效率低也没关系；
  4）每个子进程都有2GB地址空间和相关资源，总体能够达到的性能上限非常大。

• 多进程的缺点

  1）逻辑控制复杂，需要和主程序交互；
  2）需要跨进程边界，如果有大数据量传送，就不太好，适合小数据量传送、密集运算 多进程调度开销比较大。

总结：最好是多进程和多线程结合，即根据实际的需要，每个CPU开启一个子进程，这个子进程开启多线程可以为若干同类型的数据进行处理。当然你也可以利用多线程+CPU+轮询方式来解决问题……方法和手段是多样的，关键是自己看起来实现方便有能够满足要求，代价也合适。

二、线程异步同步机制

1. 线程同步

进程同步是指多个进程中发生的事件存在某种时序关系，必须协同动作共同完成一个任务。简单来讲同步是一种协作关系。

当两个进程运行时，进程A需要获取进程B此时运行到某一步的运行结果或者信息，才能进行自己的下一步工作，这个时候就得等待进程B与自己通信（发送某一个消息或信号），进程A再继续执行。这种进程之间相互等待对方发送消息或信号的协作就叫做进程同步。或者工厂的流水线，每道工序都有自己特定的任务，前一道工序没有完成或不合格后一道工序就不能进行。再或者ABC三个进程分别负责输入、处理、输出数据，A必须先执行，B次之，最后C。

2. 线程互斥

多个进程在运行过程中，都需要某一个资源时，它们便产生了竞争关系，它们可能竞争某一块内存空间，也可能竞争某一个IO设备。当一方获取资源时，其他进程只能在该进程释放资源之后才能去访问该资源，这就是进程互斥。简单来说，互斥是一种竞争关系。

举例：假如多个进程同时申请一台打印机，而先申请打印机的一方先使用打印机，当它用完时在给其他进程使用。在一个进程使用打印机期间，其他进程对打印机的使用申请不予满足，这些进程必须等待。

解决方法

• 同步机制：互斥量（mutex）、条件变量（cond）、读写锁（rwlock）
• 异步机制 - 信号量（signal）

三、什么是锁

日常生活中的锁大概有两种：一种是不允许访问；另一种是资源忙，同一时间只允许一个使用者占用，其它使用者必须要等待。

1. 不允许访问的锁容易理解，就像每家每户的门锁，不允许外人进入。
2. 第二种锁，例如火车上的厕所，它是公共的，空闲的时候任何人可以进入，人进去以后就会把它锁起来，其它的人如果要上厕所，必须等待解锁，即里面的人出来。还有红绿灯，红灯是加锁，绿灯是解锁。

对多线程来说，资源是共享的，基本上不存在不允许访问的情况，但是，共享的资源在某一时间点只能有一个线程占用，所以需要给资源加锁。

四、信号量VS互斥量

信号量用于“通知”，互斥量用于“锁”。

1. 信号量

• 信号量（semaphore），重点在信号，是一种信号机制 ——
  “我已经把事情干好了，下面该你了”。典型的生产者–消费者模型。是协调任务执行顺序的一种机制。

  比如有两个任务 A 和 B。任务 A 在执行两个数的加法运算，任务 B 需要用任务 A 运算的结果去执行乘法运算。此时，在任务 A 没有完成之前，任务 B 必须等待。当任务 A 完成后，使用信号量通知任务 B 去取结果。

2. 互斥量

• 互斥量（mutex），重点在互斥，是一种锁机制——”现在这个东西归我，等我用完你们才能用，现在你们都得等着“。

  比如有两个任务 A 和 B，一个文件描述符。A 和 B 都向文件中写入数据。如果同时写入，那么会导致文件内容紊乱，
  此时就需要锁机制。对文件描述符加锁。占有锁的任务可以执行写入操作。如果另一个任务也想写入数据，那么它必须先获得锁。如果测试锁被占用，那么它必须等待锁可用后才能写入数据。

五、示例代码

进程同步与互斥的软件实现方法

1. 单标志法

两个进程在访问完临界区后会把使用的权限转交给另一个进程，也就是说每个进程进入临界区的权限只能被另一个临界区赋予。

static char buf[1000];//数据缓存
static char flag = 0;//1：主线程接收到了数据 0：无数据
static void* my_thread(void* data)
{while (1){/*等待通知*/while (!flag );/*打印*/printf("Revice:%s\n", buf);flag = 0;}
}
int test1()
{pthread_t tid;int ret;/*1.创建接收线程*/ret = pthread_create(&tid, NULL, my_thread, NULL);if (ret){printf("创建失败\n");return -1;}/*2.主线程读取标准输入,发送给接收线程*/while (1){/*获取控制台数据*/fgets(buf, 1000, stdin);/*通知接收线程*/flag = 1;}return 0;
}

运行结果

结论：
在子线程中，有个while循环，一直判断flag，不会休眠，故占用大量cpu资源，所以需要优化，让子线程能够休眠。

2. 信号量和PV操作

相关函数

信号量函数的名字都以”sem_”打头。线程使用的基本信号量函数有四个。
信号量初始化：

int sem_init (sem_t *sem , int pshared, unsigned int value);

这是对由sem指定的信号量进行初始化，设置好它的共享选项(linux 只支持为0，即表示它是当前进程的局部信号量)，然后给它一个初始值VALUE。

等待信号量：

给信号量减1，然后等待直到信号量的值大于0。

int sem_wait(sem_t *sem);

释放信号量：

信号量值加1。并通知其他等待线程。

int sem_post(sem_t *sem);

销毁信号量：

我们用完信号量后都它进行清理。归还占有的一切资源。

int sem_destroy(sem_t *sem);

示例代码

///创建信号量static sem_t g_sem;
///读线程while (1){/*等待信号量,等待通知*/sem_wait(&g_sem);//会休眠/*打印*/printf("Revice:%s\n", buf);}
///写线程/*2.主线程读取标准输入,发送给接收线程*/while (1){fgets(buf, 1000, stdin);/*释放信号量,通知接收线程*/sem_post(&g_sem);}

运行结果

结论：

子线程打印数据时，主线程刚好又接收到了新的数据 使得打印的数据前一半是旧数据，后一半是新数据 如输入12 34 ，打印 14

3. 互斥量

相关函数

静态分配：

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

动态分配：

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutex_attr_t *mutexattr);

加锁：
对共享资源的访问，要对互斥量进行加锁，如果互斥量已经上了锁，调用线程会阻塞，直到互斥量被解锁。

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

解锁：
在完成了对共享资源的访问后，要对互斥量进行解锁。

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

销毁锁：
锁在是使用完成后，需要进行销毁以释放资源。

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex *mutex);

示例代码

///创建互斥量
static pthread_mutex_t g_tMutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
///读线程while (1){/*等待信号量,等待通知*/sem_wait(&g_sem);/*打印*/pthread_mutex_lock(&g_tMutex);//加锁printf("Revice:%s\n", buf);pthread_mutex_unlock(&g_tMutex);//解锁}///写线程/*互斥访问*//*2.主线程读取标准输入,发送给接收线程*/while (1){fgets(buf_tmp, 1000, stdin);pthread_mutex_lock(&g_tMutex);//加锁memcpy(buf, buf_tmp, 1000);pthread_mutex_unlock(&g_tMutex);//解锁/*释放信号量,,通知接收线程*/sem_post(&g_sem);}

结论：

子线程的打印任务及主线程的复制缓存区任务都是独立的
一段时间内只有一个任务进行

4.条件变量

• 互斥锁不同，条件变量是用来等待而不是用来上锁的。条件变量用来自动阻塞一个线程，直到某特殊情况发生为止。通常条件变量和互斥锁同时使用。条件变量分为两部分:
• 条件和变量。条件本身是由互斥量保护的。线程在改变条件状态前先要锁住互斥量。条件变量使我们可以睡眠等待某种条件出现。条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制，主要包括两个动作：一个线程等待”条件变量的条件成立”而挂起；另一个线程使”条件成立”（给出条件成立信号）。条件的检测是在互斥锁的保护下进行的。如果一个条件为假，一个线程自动阻塞，并释放等待状态改变的互斥锁。如果另一个线程改变了条件，它发信号给关联的条件变量，唤醒一个或多个等待它的线程，重新获得互斥锁，重新评价条件。

相关函数

初始化条件变量
静态态初始化

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIER;

动态初始化

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr);

等待条件成立
释放锁,同时阻塞等待条件变量为真才行。
timewait()设置等待时间,仍未signal
返回ETIMEOUT(加锁保证只有一个线程wait)

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex *mutex,const timespec *abstime);

激活条件变量：

pthread_cond_signal,pthread_cond_broadcast（激活所有等待线程）
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond); //解除所有线程的阻塞

清除条件变量：
无线程等待,否则返回EBUSY

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

示例代码

static pthread_cond_t  g_tConVar = PTHREAD_COND_INITIALIZER;while (1)
{pthread_mutex_lock(&g_tMutex);//加锁/*判断条件是否成立由主线程通知是否成立不成立：释放互斥量，继续等待成立：获得互斥量，返回，执行以后的程序*/pthread_cond_wait(&g_tConVar, &g_tMutex);/*打印*/printf("Revice:%s\n", buf);pthread_mutex_unlock(&g_tMutex);//解锁}/*2.主线程读取标准输入,发送给接收线程*/
while (1)
{fgets(buf_tmp, 1000, stdin);pthread_mutex_lock(&g_tMutex);//加锁memcpy(buf, buf_tmp, 1000);/*通知接收线程*/pthread_cond_signal(&g_tConVar);//唤醒等待g_tConVar的线程pthread_mutex_unlock(&g_tMutex);//解锁
}

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