c++ - 在线程之间共享资源(文件，互斥体)

Question

我正在编写一个C++类，它控制GNU/Linux上的串行端口（RS232），并且我已经决定（基于关于Linux上的异步I/O的文章的数量）来使用多个线程，其中使用阻塞的读/写功能。
我想知道，如何正确地共享某些资源：串行端口的文件描述符和互斥锁。到目前为止，我发现的所有示例都将FD和mutex创建为全局变量，这样可以确保它们将被共享到创建的任何新线程中。
但是，由于我正在创建一个类，并且希望将FD和mutex作为私有变量，所以这并不是我真正的选择。
1）文件描述符：
在void * arg中为pthread_create共享FD就足够了吗？还是最好在每个线程中打开串行端口？或许是第三种选择？
2）互斥：
仅仅在void * arg中为pthread_create共享互斥地址就足够了吗？还是我需要创建一个共享内存段，就像我在使用信号量并在多个进程之间共享它们一样？
我知道这个问题问得不太好，所以我提前表示同意。
也谢谢你的帮助。
编辑：
我在网上看到的代码是这样的：

/* Global variables */
pthread_mutex_t thread_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int file_descriptor = 0;

struct my_data_t
{
    char buffer[BUFFER_SIZE];
    int id;
};

void * thread_routine(void *aData_)
{
    my_data_t * data = (my_data_t*) aData_;
    int err = 0; 
    pthread_mutex_lock(&thread_mutex);

    err = read(file_descriptor, data->buffer, BUFFER_SIZE);

    pthread_mutex_unlock(&thread_mutex);
    /* executes thread routine */
    return;
}

int main(int argc, char * argv[])
{
    pthread_t new_thread;
    pthread_attr_t new_thread_info;
    my_data_t thread_data;
    thread_data.id = 1;
    /* setting up thread */

    file_descriptor = open(DEVICE_NAME, O_RDWR );
    pthread_mutex_init(&thread_mutex, NULL);

    pthread_create(&new_thread, &new_thread_info, &thread_routine, (void*) &thread_data);

    pthread_join(new_thread, NULL);

    return 0;
}

文件描述符和互斥量都作为全局变量创建，因此在新线程中可用。我需要的是用新线程共享这些资源的方法，当它们被封装在这样的C++类中时：

class Example
{
private:
    pthread_mutex_t thread_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
    int file_descriptor = 0;
    char buffer[BUFFER_SIZE];
public:
    Example(/* args */);
    ~Example();
    ...
};

我想到的可能是通过void * agr中的pthread_create()参数在如下结构中传递指向原始文件描述符和互斥对象的指针：

struct data_for_thread_t
{
    char **buffer;
    int * p_file_descriptor;
    pthread_mutex_t * p_thread_mutex; 
};

或者要在新线程中打开所需的文件，而不是使用pthread_mutex，我将使用经典的POSIX信号量并通过shm共享它。

Answer 1

让我来解释一下为什么你在网上找到的代码是按原样构造的：最可能的原因是作者没有足够的技能和经验。听起来很刺耳，但恐怕我甚至可以为这种观点提供很好的论据。现在，因为。。。
首先，为了澄清一点，线程是“控制点”或“独立执行”。它“生活”在一个进程中，可能还有其他线程。在该进程中，它与该进程中的所有其他线程共享一个内存空间。这意味着没有内存只能由一个线程访问！这意味着您可以从另一个线程访问一个线程的局部变量。但是，另一个线程通常不知道这些变量的位置，所以它实际上是不知道的。保持这些信息的分隔会有帮助，因为您不想意外地弄乱其他线程的东西。但是，没有必要为了使它们可访问而使其全局化。您可以使用您传递的地址的局部变量。
现在，在某些情况下，您希望在线程之间共享信息。与函数相比，如果你想访问一些数据，你基本上有两种方法：一种是将数据作为参数传递给函数，另一种是将数据作为全局存储。现在，线程与函数没有太大区别，只是通过pthread_create()调用的函数只接受一个空指针。std::thread比这更灵活，您可以以一种类型安全的方式轻松传递多个不同的参数。但是，全局变量仍然是可选的。
为什么上面提到的代码不好？关键是它在全局变量（互斥量、文件描述符）和参数（我的数据）之间混合使用，而且没有任何原因。一个更明智的方法是要么将它们全部设为全局，要么将它们全部作为参数传递。更喜欢后者，它使代码更易于单独测试。有关混合物特别糟糕的原因的解释，请参见下文。
而且，它是坏的，因为它没有显示任何东西。它显示了一个无缘无故启动的线程和执行无用操作（互斥锁、互斥锁）的线程。互斥锁是完全无用的，因为在线程运行时，没有其他代码触及文件描述符或缓冲区！由于没有其他代码触及数据，因此它不共享，也不需要与互斥锁同步访问。在这里等待线程完成就足够了。
但是，假设您有一些共享数据，这些数据由多个线程并发访问。为了实现这一点，您可以通过互斥锁同步访问。因为没有什么能真正阻止您在不锁定互斥锁的情况下访问数据，所以错误很容易发生。避免错误的策略是让线程之间的数据共享变得明显。此外，要清楚哪个互斥体负责保护这些数据。实现这一目标有两种常见的方法。第一种方法是简单地将数据和互斥锁包装在一个结构中，这样很明显它们属于一起。第二种方法是用一个简单的注释来记录。这也迫使你在头脑中制定一个计划，这是一件好事。特别是，这样就不太可能共享数据但没有互斥锁，或者有两个互斥锁！这两个非常简单的策略都没有被你在网上找到的代码的作者使用，这是另一个反对它的论点。
最后，示例代码忽略了也可以从线程返回某些内容，就像从函数返回某些内容一样。这可以通过pthread_join()的第二个参数来检索。使用std::thread，您可以获得更多选项。如果示例代码使用了该特性，那么它可能会返回包含文件中数据的缓冲区。然后，只有通过调用pthread_join()才能执行同步。
笔记：
注意，在C++中，也可以在命名空间中拥有非全局变量或类内的静态变量，但这类似于当前问题的全局性。
除了互斥之外，还有一些原子操作有时可以用作互斥的替代。记住这一点，作为另一件要学习的事情。
避免争用资源的线程。如果他们这样做了，他们往往会轮流阻止对方的进展，所以你既不能得到独立执行的好处，也不能从并行执行中得到加速的好处。更喜欢协作的线程。
如果可以，请避免共享数据。更喜欢独家所有权。您可以设置任务并将其交给线程执行。完成后，线程将给出结果。尤其是这一策略。由于数据不是共享的，而是传递的，因此不需要任何访问同步和它所带来的开销。如前所述，这也是一种合作。
C++允许你做很多聪明的事情。例如，可以包装一个数据结构和一个互斥对象，并且只允许在锁定互斥对象的情况下进行访问。查看智能指针实现及其std::unique_ptr重载以获取灵感。
您绘制的类具有构造函数和析构函数，但不要忘记删除复制构造函数和赋值运算符。看看“三定律”。
您使用operator->的方法很接近，您只需要使用指针放弃间接寻址。一般来说，避免C++中的指针。
作为建议，请尝试正确地实现示例（在后台读取文件）。当你有工作时，提交代码到code review.stackexchange.com进行审查。不过，请先检查它们的指导原则，因为它们与堆栈溢出的指导原则有很大不同。