APUE 執行緒程式設計完整指南：建立、同步、互斥鎖、條件變數與令牌桶實戰

Unix 環境高級編程（APUE）第 11-12 章：POSIX 執行緒深度實戰

執行緒是 CPU 排程基本單位，共享進程位址空間，建立/切換開銷遠小於進程。POSIX 執行緒 (pthread) 提供標準化跨平台介面，是高併發伺服器開發核心技術。

1. 基本操作 API

2. 執行緒清理處理程序

pthread_cleanup_push(routine, arg); // 註冊
// ... 程式碼區塊 ...
pthread_cleanup_pop(execute);       // 執行並彈出 (execute=1) 或 僅彈出 (0)

• 成對使用的宏，展開為 do { ... } while(0) 結構
• 執行順序：後進先出 (LIFO)，類似 atexit
• 執行緒退出 (exit/cancel) 時自動執行所有已推入的清理函數

3. 互斥鎖 保護臨界區

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; // 靜態初始化
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);                   // 動態初始化

pthread_mutex_lock(&mutex);   // 阻塞式加鎖
pthread_mutex_trylock(&mutex); // 非阻塞嘗試
pthread_mutex_unlock(&mutex);  // 解鎖
pthread_mutex_destroy(&mutex); // 銷毀 (釋放資源)

臨界區原則：加鎖→最小操作→解鎖。鎖保護的是程式碼區段，非變數本身。

4. 經典同步問題：有序列印 abcd

四執行緒循環列印 a/b/c/d，使用條件變數比鎖鏈更優雅：

pthread_mutex_t mut = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
int num = 0; // 當前應列印的執行緒編號 0-3

void* thr_func(void* arg) {
    int n = (int)arg; char ch = 'a' + n;
    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&mut);
        while (num != n) pthread_cond_wait(&cond, &mut); // 原子解鎖+等待
        putchar(ch);
        num = (num + 1) % 4;
        pthread_cond_broadcast(&cond); // 喚醒所有等待者
        pthread_mutex_unlock(&mut);
    }
}

5. 條件變數 實現通知機制

選擇原則：明確知道誰該工作用 signal，不確定或多對多用 broadcast。

6. 實戰專案：通用多執行緒令牌桶庫

支援 1024 個獨立桶，每桶固定速率 (CPS) 與突發上限：

• 全域陣列 job[MAX] + 全域鎖 mut_job 保護桶陣列
• 每桶結構體含 cps, burst, token, pos, mut, cond
• 專用執行緒 thr_alrm 每秒 sleep(1) 遍歷所有桶填充 token，pthread_cond_broadcast 通知等待者
• mytbf_fetchtoken：while(token<=0) pthread_cond_wait(&cond, &mut); 非忙等待
• pthread_once 確保填充執行緒只啟動一次
• 模組卸載時 pthread_cancel + join 回收執行緒，銷毀所有鎖/條件變數

7. 進階主題

• 執行緒上限：受 PID 耗盡與虛擬位址空間棧區大小限制 (ulimit -s 調整)
• 管道特性：單工、FIFO、讀寫雙方必須湊齊否則阻塞
• 訊號與執行緒混用：避免大範圍混用，訊號屬進程級，執行緒屬執行緒級，易產生競態
• sched_yield：主動讓出 CPU，配合 trylock 避免死鎖

編譯執行提醒

gcc -Wall -pthread thread_demo.c -o thread_demo
ps ax -L  # 查看 LWP (執行緒 ID) 驗證建立成功

掌握 pthread 同步原語與設計模式，是構建高效能、高可靠性併發系統的關鍵能力。