[Linux] Linux线程间通信与同步：原理、方法与实战

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于 2025-05-18 12:03:34 首次发布

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Linux线程间通信与同步：原理、方法与实战

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Linux线程间通信与同步：原理、方法与实战

Linux多线程编程的核心在于资源共享与协作。线程间通信（IPC）和同步（Synchronization）是解决并发问题的关键。本文从原理出发，结合思维导图和代码示例，系统解析Linux线程间通信与同步的常用方法。

一、原理：共享资源与协作

线程是进程内的执行单元，共享进程的地址空间和资源（如文件描述符、全局变量等）。因此，线程间通信的本质是共享内存访问，但需要解决以下问题：

数据竞争：多个线程同时修改共享资源可能导致数据不一致。
死锁：线程间因资源互斥请求而陷入循环等待。
资源饥饿：某些线程因优先级低或资源被长期占用而无法执行。

同步目标：

互斥（Mutual Exclusion）：确保同一时刻只有一个线程访问共享资源。
同步（Synchronization）：协调线程的执行顺序，确保条件满足后再执行。

二、线程间通信与同步的手段

思维导图

线程间通信与同步  
├── 同步机制  
│   ├── 互斥锁（Mutex）  
│   ├── 条件变量（Condition Variable）  
│   ├── 读写锁（Read-Write Lock）  
│   ├── 信号量（Semaphore）  
│   └── 自旋锁（Spinlock）  
├── 通信机制  
│   ├── 共享内存（Shared Memory）  
│   ├── 管道（Pipe/FIFO）  
│   ├── 消息队列（Message Queue）  
│   ├── 套接字（Socket）  
│   └── 信号（Signal）  
└── 辅助工具  
    └── 线程屏障（Thread Barrier）

三、方法详解

1. 同步机制

1.1 互斥锁（Mutex）

原理：通过加锁/解锁操作保护临界区，确保同一时刻只有一个线程访问共享资源。

接口：

pthread_mutex_init(&mutex, NULL); // 初始化  
pthread_mutex_lock(&mutex);       // 加锁  
pthread_mutex_unlock(&mutex);     // 解锁  
pthread_mutex_destroy(&mutex);    // 销毁

1.2 条件变量（Condition Variable）

原理：与互斥锁配合，线程在条件未满足时等待，其他线程通知后唤醒。

接口：

pthread_cond_init(&cond, NULL);         // 初始化  
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);       // 等待条件  
pthread_cond_signal(&cond);             // 唤醒一个线程  
pthread_cond_broadcast(&cond);          // 唤醒所有线程

1.3 信号量（Semaphore）

原理：基于计数器的同步机制，支持多线程并发访问（如资源池）。

接口：

sem_init(&sem, 0, 1);       // 初始化（初始值为1）  
sem_wait(&sem);             // P操作（减1，若为0则阻塞）  
sem_post(&sem);             // V操作（加1）  
sem_destroy(&sem);          // 销毁

1.4 读写锁（Read-Write Lock）

原理：允许多个读线程同时访问，但写线程独占资源。

接口：

pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);  
pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);     // 读锁  
pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);     // 写锁  
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

2. 通信机制

2.1 共享内存（Shared Memory）

原理：线程直接访问共享变量，无需拷贝数据。
实现：直接定义全局变量即可，需配合互斥锁保护。

2.2 管道（Pipe/FIFO）

原理：通过内核缓冲区传递数据，适合父子线程通信。

接口：

int pipe(int pipefd[2]); // pipefd[0]读，pipefd[1]写  
read(pipefd[0], buffer, size);  
write(pipefd[1], buffer, size);

2.3 消息队列（Message Queue）

原理：通过消息队列传递结构化数据（如POSIX消息队列）。

接口：

mqd_t mq = mq_open(...);  
mq_send(mq, buffer, size, priority);  
mq_receive(mq, buffer, size, NULL);

2.4 套接字（Socket）

原理：基于网络协议（如TCP/UDP）实现跨进程/线程通信。
实现：需绑定、监听、连接等步骤，适合分布式场景。

2.5 信号（Signal）

原理：通过异步通知机制触发线程行为（如SIGUSR1/SIGUSR2）。

接口：

signal(SIGUSR1, handler); // 注册信号处理函数  
kill(getpid(), SIGUSR1);  // 发送信号

四、完整C语言Demo（整合所有方法）

以下代码演示互斥锁、条件变量、信号量、管道、消息队列的联合使用：

#include <pthread.h>  
#include <semaphore.h>  
#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <string.h>  
#include <unistd.h>  
#include <mqueue.h>