Linux 多執行緒程式設計：pthread 控制與同步機制精要

執行緒優勢

• 建立/銷毀開銷遠小於進程
• 共享進程位址空間，資料交換高效

典型應用場景

• 非同步事件處理
• 阻塞型 I/O 並發（如網路伺服器）
• 計算密集型任務並行化

核心 API

定義於 <pthread.h>，編譯需連結 -lpthread

同步機制

互斥鎖

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

pthread_mutex_lock(&mutex);
// 臨界區
pthread_mutex_unlock(&mutex);

• 一般鎖：PTHREAD_MUTEX_DEFAULT
• 遞迴鎖：PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE（同一執行緒可重複鎖定）
• 錯誤檢查鎖：PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK

條件變數

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

// 等待方
pthread_mutex_lock(&mutex);
while (!condition) pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
// 條件滿足
pthread_mutex_unlock(&mutex);

// 通知方
pthread_mutex_lock(&mutex);
condition = true;
pthread_cond_signal(&cond);  // 或 broadcast
pthread_mutex_unlock(&mutex);

讀寫鎖

多讀單寫場景優化：pthread_rwlock_t

執行緒池模式

避免頻繁建立/銷毀開銷，預先建立固定數量工作執行緒，任務佇列分發。推薦使用 Boost.ThreadPool 或 C++17 std::execution::par / 專用庫。

常見陷阱

• 忘記 pthread_join 導致資源洩漏
• 鎖定順序不一致造成死結
• 條件變數虛假喚醒 → 必須用 while 而非 if 檢查條件
• 訊號處理函數中呼叫非 async-signal-safe 函數

延伸學習

• C++11 <thread>, <mutex>, <condition_variable>、<future>
• 無鎖資料結構、RCU、記憶體排序模型
• 效能分析工具：perf, helgrind, TSan