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Linux多线程之线程同步

  线程最大的特点就是资源的共享性，所以也就有了一个难点线程同步，实现线程同步的方法最常用的方法是：互斥锁，条件变量和信号量。接下来就让我们来看下这几种同步的方法。

一、互斥锁（Mutex）

  获得锁的线程可以完成“读-修改-写”的操作，然后释放锁给其它线程,没有获得锁的线程只能等待而不能访问共享数据，这样“读-修改-写”三步操作组成一个原子操作，要么都执行，要么都不执行，不会执行到中间被打断，也不会在其它处理器上并行做这个操作。

1、锁的初始化和销毁（Mutex用pthread_mutex_t类型的变量表示）

<a href="https://s4.51cto.com/wyfs02/M02/A7/6C/wKioL1nmpo_Swv8XAABm7CySx6g673.png" target="_blank"></a>

  注意：如果Mutex变量是静态分配的(全局变量 或static变量),也可以用宏PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER来初始化,相当于用pthread_mutex_init初始化并且attr参数为NULL。用函数初始化则是动态分配。

2、加锁解锁

<a href="https://s5.51cto.com/wyfs02/M01/A7/6C/wKioL1nmp7GwBHHHAABTcKT1dPo031.png" target="_blank"></a>

  一个线程可以调用pthread_mutex_lock获得Mutex，如果这时另一个线程已经调用pthread_mutex_lock获得了该Mutex，则当前线程需要挂起等待，直到另一个线程调用

pthread_mutex_unlock释放Mutex，当前线程被唤醒，才能获得该Mutex并继续执行。如果一个线程既想获得锁，又不想挂起等待，可以调用pthread_mutex_trylock，如果Mutex已经被另一个线程获得，这个函数会失败返回EBUSY，而不会使线程挂起等待。

<code>#include&lt;stdio.h&gt;</code>

<code>#include&lt;stdlib.h&gt;</code>

<code>#include&lt;pthread.h&gt;</code>

<code>#define LOOP 5000</code>

<code>static</code> <code>int</code> <code>count = 0;</code>

<code>pthread_mutex_t mutex_lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;</code>

<code>void</code> <code>*read_write(</code><code>void</code> <code>*val)</code>

<code>{</code>

<code>    </code><code>int</code> <code>_val = 0;</code>

<code>    </code><code>int</code> <code>i = 0;</code>

<code>    </code><code>for</code><code>( ; i &lt; LOOP; i++ ){</code>

<code>        </code><code>pthread_mutex_lock(&amp;mutex_lock);</code>

<code>        </code><code>_val = count;</code>

<code>        </code><code>printf</code><code>(</code><code>"pthread id is :%x,count : %d\n"</code><code>,</code>

<code>                </code><code>(unsigned </code><code>long</code><code>)pthread_self(),count);</code>

<code>        </code><code>count = _val+1;</code>

<code>        </code><code>pthread_mutex_unlock(&amp;mutex_lock);</code>

<code>    </code><code>}</code>

<code>}</code>

<code>int</code> <code>main()</code>

<code>    </code><code>pthread_t tid1;</code>

<code>    </code><code>pthread_t tid2;</code>

<code>    </code><code>pthread_create(&amp;tid1,NULL,read_write,NULL);</code><code>//为了简单没有判断是否创建成功</code>

<code>    </code><code>pthread_create(&amp;tid2,NULL,read_write,NULL);</code>

<code>    </code><code>pthread_join(tid1,NULL);</code>

<code>    </code><code>pthread_join(tid2,NULL);</code>

<code>    </code><code>printf</code><code>(</code><code>"count final value is : %d\n"</code><code>,count);</code>

<code>    </code><code>return</code> <code>0;</code>

如果没有加入互斥锁，运行结果不会是10000。

3、互斥锁的缺点

  死锁的情况：1）一般情况下，如果同一个线程先后两次调用lock，在第二次调用时，由于锁已经被占用，该线程会挂起等待别的线程释放锁，然而锁正是被自己占用着的，该线程又被挂起而没有机会释放锁，因此就永远处于挂起等待状态了。2）线程A获得了锁1，线程B获得了锁2，这时线程A调用lock试图获得锁2，结果是需要挂起等待线程B释放锁2，而这时线程B也调用lock试图获得锁1，结果是需要挂起等待线程A释放锁1，于是线程A和B都永远处于挂起状态了。

  解决办法：首先要尽量避免同时获得多个锁。如果所有线程在需要多个锁时都按相同的先后顺序(常见的是按Mutex变量的地址顺序)获得锁，则不会出现死锁。

二、条件变量

  互斥锁不同，条件变量是用来等待而不是用来上锁的。条件变量用来自动阻塞一个线程，直到某特殊情况发生为止。通常条件变量和互斥锁同时使用。条件变量分为两部分: 条件和变量。条件本身是由互斥量保护的。线程在改变条件状态前先要锁住互斥量。条件变量使我们可以睡眠等待某种条件出现。条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制，主要包括两个动作：一个线程等待"条件变量的条件成立"而挂起；另一个线程使"条件成立"（给出条件成立信号）。条件的检测是在互斥锁的保护下进行的。如果一个条件为假，一个线程自动阻塞，并释放等待状态改变的互斥锁。如果另一个线程改变了条件，它发信号给关联的条件变量，唤醒一个或多个等待它的线程，重新获得互斥锁，重新评价条件。如果两进程共享可读写的内存，条件变量可以被用来实现这两进程间的线程同步。  

1、条件变量的初始化和销毁

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  条件变量初始化和互斥锁初始化类似，宏表示静态分配，函数表示动态分配，当函数的第二个参数为NULL则两者等价。

2、等待条件成立和激活条件变量

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<a href="https://s1.51cto.com/wyfs02/M00/A7/6E/wKioL1nmskCzx6YlAAA7Ziy_vK0848.png" target="_blank"></a>

  可见，一个条件变量总是和一个Mutex搭配使用的。 一个线程可以调用pthread_cond_wait在一个条件变量上阻塞等待，这个函数做以下三步操作：

1）释放Mutex

2）阻塞等待

3）当被唤醒时，重新获得Mutex并返回

  pthread_cond_timedwait函数还有一个额外的参数可以设定等待超时，如果到达了abstime所指定的时刻仍然没有别的线程来唤醒当前线程，就返回ETIMEDOUT。一个线程可以调用pthread_cond_signal唤醒在某个条件变量上等待的另一个线程，也可以调用pthread_cond_broadcast唤醒在这个条件变量上等待的所有线程。

  下面写一个生产者和消费者的实现（链表）：

<code>typedef</code> <code>struct</code> <code>list{</code>

<code>    </code><code>struct</code> <code>list *next;</code>

<code>    </code><code>int</code> <code>val;</code>

<code>}product_list;</code>

<code>product_list *head = NULL;</code>

<code>static</code> <code>pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;</code>

<code>static</code> <code>pthread_cond_t need_product=PTHREAD_COND_INITIALIZER;</code>

<code>/*init list*/</code>

<code>void</code> <code>init_list(product_list *list)</code>

<code>    </code><code>if</code><code>(NULL != list){</code>

<code>        </code><code>list-&gt;next = NULL;</code>

<code>        </code><code>list-&gt;val = 0;</code>

<code>/*consumer*/</code>

<code>void</code> <code>*consumer(</code><code>void</code> <code>*_val)</code>

<code>    </code><code>product_list *p = NULL;</code>

<code>    </code><code>while</code><code>(1){</code>

<code>        </code><code>pthread_mutex_lock(&amp;lock);</code>

<code>        </code><code>while</code><code>(NULL == head){</code>

<code>            </code><code>pthread_cond_wait(&amp;need_product,&amp;lock);</code>

<code>        </code><code>}</code>

<code>        </code><code>p = head;</code>

<code>        </code><code>head = head-&gt;next;</code>

<code>        </code><code>p-&gt;next = NULL;</code>

<code>        </code><code>pthread_mutex_unlock(&amp;lock);</code>

<code>        </code><code>printf</code><code>(</code><code>"consum success,val is : %d\n"</code><code>,p-&gt;val);</code>

<code>        </code><code>free</code><code>(p);</code>

<code>        </code><code>p = NULL;</code>

<code>/*product*/</code>

<code>void</code> <code>*product(</code><code>void</code> <code>*_val)</code>

<code>        </code><code>sleep(</code><code>rand</code><code>()%2);</code>

<code>        </code><code>product_list *p = (product_list*)</code><code>malloc</code><code>(</code><code>sizeof</code><code>(product_list));</code>

<code>        </code><code>init_list(p);</code>

<code>        </code><code>p-&gt;val = </code><code>rand</code><code>()%1000;</code>

<code>        </code><code>head = p;</code>

<code>        </code><code>printf</code><code>(</code><code>"product success,val : %d\n"</code><code>,p-&gt;val);</code>

<code>        </code><code>pthread_cond_signal(&amp;need_product);</code>

<code>    </code><code>pthread_t t_product;</code>

<code>    </code><code>pthread_t t_consumer;</code>

<code>    </code><code>pthread_create(&amp;t_product,NULL,product,NULL);</code><code>//no check</code>

<code>        </code><code>pthread_create(&amp;t_consumer,NULL,consumer,NULL);</code><code>//no check</code>

<code>    </code><code>pthread_join(t_product,NULL);</code><code>//wait product thread</code>

<code>    </code><code>pthread_join(t_consumer,NULL);</code><code>//wait consumer thread</code>

<a href="https://s3.51cto.com/wyfs02/M01/A7/6F/wKioL1nmvBqzoRzKAABvD0kOj9U458.png" target="_blank"></a>

三、信号量

  Mutex变量是非0即1的，可看作一种资源的可用数量，初始化时Mutex是1，表示有一个可用资源，加锁时获得该资源，将Mutex减到0，表示不再有可用资源，解锁时释放该资源，将Mutex重新加到1,表示又有了一个可用资源。

  信号量(Semaphore)和Mutex类似，表示可用资源的数量，和Mutex不同的是这个数量可以大于1。即，如果信号量描述的资源数目是1时，此时的信号量和互斥锁相同！POSIX semaphore库函数，这种信号量不仅可用于同一进程的线程间同步，也可用于不同进程间的同步。

1、信号量的创建和销毁

<code>int</code> <code>sem_init(sem_t *sem , </code><code>int</code> <code>pshared, unsigned </code><code>int</code> <code>value);</code>

<code>int</code> <code>sem_destroy(sem_t *sem);</code>

2、信号量的等待和释放

<code>int</code> <code>sem_wait(sem_t *sem);</code><code>//阻塞等待</code>

<code>int</code> <code>sem_trywait(sem_t *sem);</code><code>//非阻塞等待</code>

  调用sem_wait()可以获得资源（P操作），使semaphore的值减1，如果调用sem_wait()时semaphore的值已经是0，则挂起等待。如果不希望挂起等待，可以调用sem_trywait() 。调用sem_post() 可以释放资源（V操作），使semaphore 的值加1，同时唤醒挂起等待的线程。

  下面写一个生产者和消费者的实现（固定大小循环队列）：

<code>#include&lt;semaphore.h&gt;</code>

<code>#define SEM_PRO 10</code>

<code>#define SEM_COM 0</code>

<code>/*定义信号量*/</code>

<code>sem_t sem_product;</code>

<code>sem_t sem_consume;</code>

<code>int</code> <code>bank[SEM_PRO];</code>

<code>/*消费者线程执行函数*/</code>

<code>    </code><code>int</code> <code>c = 0;</code>

<code>        </code><code>sem_wait(&amp;sem_consume);</code>

<code>        </code><code>int</code> <code>_consume = bank[c];</code>

<code>        </code><code>printf</code><code>(</code><code>"consumer done...,val : %d\n"</code><code>,_consume);</code>

<code>        </code><code>sem_post(&amp;sem_product);</code>

<code>        </code><code>c = (c+1)%SEM_PRO;</code>

<code>        </code><code>sleep(</code><code>rand</code><code>()%5);</code>

<code>/*生产者线程执行函数*/</code>

<code>void</code> <code>*producter(</code><code>void</code> <code>*_val)</code>

<code>    </code><code>int</code> <code>p = 0;</code>

<code>        </code><code>sem_wait(&amp;sem_product);</code>

<code>        </code><code>int</code> <code>_product = </code><code>rand</code><code>()%100;</code>

<code>        </code><code>bank[p] = _product;</code>

<code>        </code><code>printf</code><code>(</code><code>"product done... val is : %d\n"</code><code>,_product);</code>

<code>        </code><code>sem_post(&amp;sem_consume);</code>

<code>        </code><code>p = (p+1)%SEM_PRO;</code>

<code>        </code><code>sleep(</code><code>rand</code><code>()%3);</code>

<code>/*创建生产者消费者线程*/</code>

<code>void</code> <code>run_product_consume()</code>

<code>    </code><code>pthread_t tid_consumer;</code>

<code>    </code><code>pthread_t tid_producter;</code>

<code>    </code><code>pthread_create(&amp;tid_consumer,NULL,consumer,NULL);</code>

<code>    </code><code>pthread_create(&amp;tid_producter,NULL,producter,NULL);</code>

<code>    </code> 

<code>    </code><code>pthread_join(tid_consumer,NULL);</code>

<code>    </code><code>pthread_join(tid_producter,NULL);</code>

<code>/*销毁信号量*/</code>

<code>void</code> <code>destroy_all_sem()</code>

<code>    </code><code>printf</code><code>(</code><code>"process done...\n"</code><code>);</code>

<code>    </code><code>sem_destroy(&amp;sem_product);</code>

<code>    </code><code>sem_destroy(&amp;sem_consume);</code>

<code>    </code><code>exit</code><code>(0);</code>

<code>/*初始化信号量*/</code>

<code>void</code> <code>init_all_sem()</code>

<code>    </code><code>int</code> <code>bank[SEM_PRO];</code>

<code>    </code><code>int</code> <code>num = </code><code>sizeof</code><code>(bank)/</code><code>sizeof</code><code>(bank[0]);</code>

<code>    </code><code>for</code><code>(; i &lt; num; i++ ){</code>

<code>        </code><code>bank[i] = 0;</code>

<code>    </code><code>sem_init(&amp;sem_product,0,SEM_PRO);</code>

<code>    </code><code>sem_init(&amp;sem_consume,0,SEM_COM);</code>

<code>    </code><code>init_all_sem();</code>

<code>    </code><code>run_product_consume();</code>

<code>//  destroy_all_sem();//避免销毁信号量</code>

<a href="https://s5.51cto.com/wyfs02/M02/A7/71/wKioL1nmyyTDE2GvAABrfUyaGA8668.png" target="_blank"></a>

本文转自 8yi少女的夢 51CTO博客，原文链接：http://blog.51cto.com/zhaoxiaohu/1973694，如需转载请自行联系原作者

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