Linux線程同步與程序通信

線程同步與程序通信

線程同步

互斥量

• 臨界資源：在一段時間内隻允許一個任務（線程或程序）通路資源。任務之間采用互斥的方式通路臨界資源
• 互斥量：

  pthread_mutex_t mutex;

  初始化、加鎖、解鎖、銷毀

  • 加鎖：

    int pthread_mutex_lock(); int pthread_mutex_trylock();

    在通路臨界資源前，對互斥量進行加鎖。

    trylock()

    未加鎖則加鎖，加鎖後不重複加鎖。
  • 解鎖：

    int pthread_mutex_unlock();

    通路完成後對互斥量解鎖
  • 銷毀：

    int pthread_mutex_destory();

    互斥量使用完畢後對互斥量進行銷毀，釋放資源。

條件變量

• 任務同步：多個線程都要通路臨界資源又要互相合作，一個任務的執行依賴與另一個任務的執行情況。
• 條件變量：

  pthread_cond_t cond;

  和互斥量一起使用，允許線程以互斥的方式阻塞等待條件的發生即為同步關系

  • 觸發條件變量的線程：互斥量加鎖>>某一操作>>觸發條件變量>>互斥量解鎖
  • 等待條件變量的線程：互斥量加鎖>>等待條件變量>>某一操作>>互斥量解鎖
  • 銷毀：

    pthread_cond_destory();

    條件變量不再使用後進行銷毀，釋放空間
  • 等待條件變量：

    pthread_cond_wait();

    使得調用程序進入阻塞狀态，直到條件觸發
  • 觸發條件變量：

    pthread_cond_signal();/pthread_cond_broadcast();

    可觸發并喚醒等待條件變量的線程

• 條件變量與互斥量要配合使用

  • 條件變量的使用場景伴随着臨界資源的使用
  • 在調用

    pthread_cond_wait();

    前需要使互斥量處于加鎖狀态，通過原子操作将調用線程放到該條件變量等待線程隊列（臨界資源）中

    //等待條件變量的操作
    pthread_mutex_lock();
    pthread_cond_wait();
    pthread_mutex_unlock();
               

• 條件變量的使用

讀寫鎖

• 讀寫關系：讀寫互斥、寫寫互斥、讀讀不互斥
• 讀寫鎖：

  pthread_rwlock_t;

  • 加讀鎖：

    阻塞加鎖pthread_rwlock_rdlock();/非阻塞加鎖pthread_rwlock_tryrdlock();/限時加讀鎖pthread_rwlock_timedrdlock();

  • 加寫鎖：

    阻塞加鎖pthread_rwlock_wrlock();/非阻塞加鎖pthread_rwlock_trywrlock();/限時加讀鎖pthread_rwlock_timedwrlock();

  • 解鎖：統一解鎖函數，最近配對原則解鎖

    pthread_rwlock_unlock();

程序通信

• 管道和命名管道：檔案的形式實作不同程序共享資源
• XSI IPC機制：LINUX系統使用的程序通信機制

  功能	信号量	共享記憶體	消息隊列
  建立或打開一個IPC對象，獲得對IPC機制的通路權	semget	shmget	msgget
  IPC操作：信号量操作；連接配接/釋放共享記憶體；發送/接收消息	semop	shmat/shmdt	msgsnd/msgrcv
  IPC控制：獲得/修改IPC對象狀态，“删除”IPC對象	semctl	shmctl	msgctl

消息隊列

• 消息隊列：消息的連結清單，有寫或者讀權限的程序可以按照一定的規則添加或者讀取消息
• 消息隊列的操作

  sys/types.h sys/ipc.h sys/msg.h

  • 打開或建立消息隊列對象：

    int msgget();

  • 從消息隊列接收消息：

    int msgrcv();

  • 向消息隊列發送消息：

    int msgsnd();

  • 消息隊列控制操作：

    int msgctl();

信号量

• 互斥信号量：任務之間互斥通路臨界資源 初始值為1
• 計數信号量：任務之間競争通路共享資源 初始值大于1，表示共享資源個數
• 二值信号量：任務之間的同步機制 初始值為0
• 信号量的資料結構

  struct s
  {
      int count; //資源計數
      Queue queue; //任務阻塞隊列
  };
  
  int init(); // 初始化
  int P(); // P操作
  int V(); // V操作
             

• P操作：配置設定資源

  --s.count;
  if(s.count < 0)
  {
  	調用程序進入s.queue;
  	阻塞調用程序；
  }
             

• V操作：釋放資源

  ++s.count;
  if(s.count <= 0 )
  {
  	從阻塞隊列s.queue中取出一個程序P;
  	程序P進入就緒隊列;
  }
             

• 信号量集的操作

  sys/types.h sys/ipc.h sys/sem.h

  • 建立或者打開信号量集對象

    int semget();

    #include<stdio.h>
    #include<sys/sem.h>
    #define MYKEY 0x1a0a //定一個ipc的key值
    int main()
    {
    	int semid;
    	semid = semget(MYKEY,1,IPC_CREAT|IPC_R|IPC_W|IPC_M); //建立一個信号量集對象
    	printf("semid = %d\n",semid);
        return 0;
    }
               

  • 信号量PV操作

    int semop();

    ：根據參數

    short sem_op;

    判斷執行的操作類型

    • sem_op > 0

      ：信号量V操作，增加信号量的值

    • sem_op < 0

      ：信号量P操作，減少信号量的值

    • sem_op = 0

      ：對信号量的目前值是否為0的測試

    //實作P操作
    static int semaphore_v(void)
    {
    	struct sembuf sem_b;
    	sem_b.sem_num = 0; //信号量編号
    	sem_b.sem_op = -1; // P操作
    	sem_b.sem_fg = SEM_UNDO; //在程序沒釋放信号量而退出時，系統自動釋放該程序中未釋放的信号量
    	if(semop(sem_id, &sem_b,1) == -1)
    	{
    		fprintf(stderr,"semaphore_p failed\n");
    		return 0;
    	}
    	return 1;
    }
    
    //實作V操作
    static int semaphore_v(void)
    {
    	struct sembuf sem_b;
    	sem_b.sem_num = 0;
    	sem_b.sem_op = 1; // V操作
    	sem_b.sem_fg = SEM_UNDO;
    	if(semop(sem_id, &sem_b,1) == -1)
    	{
    		fprintf(stderr,"semaphore_v failed\n");
    		return 0;
    	}
    	return 1;
    }
               

  • 信号量控制

    int semctl();

    ：

    int cmd;

    控制指令參數
    • 對信号量集的控制指令：

      IPC_RMID

      删除；

      IPC_SET

      設定參數；

      IPC_STAT

      擷取參數；

      IPC_INFO

      擷取系統資訊
    • 對信号量的控制指令：

      SETVAL

      設定信号量的值；

      GETVAL

      擷取信号量的值；

      GETPID

      擷取信号量擁有者的PID值

    //信号量初始化
    int init_sem(int sem_id, int init_value)
    {
    	union semun_sem_union;
    	sem_union.val = init_value;
    	if(semctl(sem_id,0,SETVAL,sem_union) == -1)
    	{
    		perror("Initialize semaphore");
    		return -1;
    	}
    	return 0;
    }
    
    //從系統中删除信号量
    int del_sem(int sem_id)
    {
    	union semun sem_union;
    	if(semctl(sem_id,0,IPC_RMID,sem_union) == -1)
    	{
    		perror("Initialize semaphore");
    		return -1;
    	}
    }
               

共享記憶體

• 共享記憶體：不同程序可以将同一段記憶體空間連結到自己的位址空間中，類似實體空間中的全局變量
• 共享記憶體的操作

  sys/types.h sys/ipc.h sys/shm.h

  • 建立或者打開共享記憶體對象

    int shmget();

  • 将共享記憶體連結到調用的程序的位址空間

    void *shmat();

  • 删除程序的共享記憶體連結

    int shmdt();

  • 對共享記憶體的操作

    int shmctl();

• 共享記憶體應用–生産者/消費者問題

  //緩存池結構
  struct BufferPool
  {
  	char Buffer[5][100];
  	int index[5];
  };