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Linux 线程同步的三种方法

时间:2018-07-12 09:48  来源:未知  阅读次数: 复制分享 我要评论

线程的最大特点是资源的共享性,但资源共享中的同步问题是多线程编程的难点。linux下提供了多种方式来处理线程同步,最常用的是互斥锁、条件变量和信号量。

互斥锁(mutex)


通过锁机制实现线程间的同步。

初始化锁

在Linux下,线程的互斥量数据类型是pthread_mutex_t。在使用前,要对它进行初始化。

静态分配:pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
动态分配:int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutex_attr_t *mutexattr);
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加锁

对共享资源的访问,要对互斥量进行加锁,如果互斥量已经上了锁,调用线程会阻塞,直到互斥量被解锁。

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
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解锁

在完成了对共享资源的访问后,要对互斥量进行解锁。

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
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销毁锁

锁在是使用完成后,需要进行销毁以释放资源。

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex *mutex);
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实例

#include <cstdio>  
#include <cstdlib>  
#include <unistd.h>  
#include <pthread.h>  
#include "iostream"  
using namespace std;  
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;  
int tmp;  
void* thread(void *arg)  
{  
    cout << "thread id is " << pthread_self() << endl;  
    pthread_mutex_lock(&mutex);  
    tmp = 12;  
    cout << "Now a is " << tmp << endl;  
    pthread_mutex_unlock(&mutex);  
    return NULL;  
}  
int main()  
{  
    pthread_t id;  
    cout << "main thread id is " << pthread_self() << endl;  
    tmp = 3;  
    cout << "In main func tmp = " << tmp << endl;  
    if (!pthread_create(&id, NULL, thread, NULL))  
    {  
        cout << "Create thread success!" << endl;  
    }  
    else  
    {  
        cout << "Create thread failed!" << endl;  
    }  
    pthread_join(id, NULL);  
    pthread_mutex_destroy(&mutex);  
    return 0;  
}  
//编译:g++ -o thread testthread.cpp -lpthread
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条件变量(cond)


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。

初始化条件变量

静态态初始化,pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIER;
动态初始化,int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr);
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等待条件成立

释放锁,同时阻塞等待条件变量为真才行。timewait()设置等待时间,仍未signal,返回ETIMEOUT(加锁保证只有一个线程wait)

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex *mutex,const timespec *abstime);
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激活条件变量

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond); //解除所有线程的阻塞
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清除条件变量

无线程等待,否则返回EBUSY

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
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实例1

#include <stdio.h>  
#include <pthread.h>  
#include "stdlib.h"  
#include "unistd.h"  
pthread_mutex_t mutex;  
pthread_cond_t cond;  
void hander(void *arg)  
{  
    free(arg);  
    (void)pthread_mutex_unlock(&mutex);  
}  
void *thread1(void *arg)  
{  
    pthread_cleanup_push(hander, &mutex);  
    while(1)  
    {  
        printf("thread1 is running\n");  
        pthread_mutex_lock(&mutex);  
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);  
        printf("thread1 applied the condition\n");  
        pthread_mutex_unlock(&mutex);  
        sleep(4);  
    }  
    pthread_cleanup_pop(0);  
}  
void *thread2(void *arg)  
{  
    while(1)  
    {  
        printf("thread2 is running\n");  
        pthread_mutex_lock(&mutex);  
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);  
        printf("thread2 applied the condition\n");  
        pthread_mutex_unlock(&mutex);  
        sleep(1);  
    }  
}  
int main()  
{  
    pthread_t thid1,thid2;  
    printf("condition variable study!\n");  
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);  
    pthread_cond_init(&cond, NULL);  
    pthread_create(&thid1, NULL, thread1, NULL);  
    pthread_create(&thid2, NULL, thread2, NULL);  
    sleep(1);  
    do  
    {  
        pthread_cond_signal(&cond);  
    }while(1);  
    sleep(20);  
    pthread_exit(0);  
    return 0;  
}
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实例2

#include <pthread.h>  
#include <unistd.h>  
#include "stdio.h"  
#include "stdlib.h"  
static pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;  
static pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;  
struct node  
{  
    int n_number;  
    struct node *n_next;  
}*head = NULL;  

static void cleanup_handler(void *arg)  
{  
    printf("Cleanup handler of second thread./n");  
    free(arg);  
    (void)pthread_mutex_unlock(&mtx);  
}

static void *thread_func(void *arg)  
{  
    struct node *p = NULL;  
    pthread_cleanup_push(cleanup_handler, p);  
    while (1)  
    {  
        //这个mutex主要是用来保证pthread_cond_wait的并发性  
        pthread_mutex_lock(&mtx);  
        while (head == NULL)  
        {  
            //这个while要特别说明一下,单个pthread_cond_wait功能很完善,为何  
            //这里要有一个while (head == NULL)呢?因为pthread_cond_wait里的线  
            //程可能会被意外唤醒,如果这个时候head != NULL,则不是我们想要的情况。  
            //这个时候,应该让线程继续进入pthread_cond_wait  
            // pthread_cond_wait会先解除之前的pthread_mutex_lock锁定的mtx,  
            //然后阻塞在等待对列里休眠,直到再次被唤醒(大多数情况下是等待的条件成立  
            //而被唤醒,唤醒后,该进程会先锁定先pthread_mutex_lock(&mtx);,再读取资源  
            //用这个流程是比较清楚的  
            pthread_cond_wait(&cond, &mtx);  
        }
        p = head;  
        head = head->n_next;  
        printf("Got %d from front of queue/n", p->n_number);
        free(p);
        pthread_mutex_unlock(&mtx); //临界区数据操作完毕,释放互斥锁  
    }  
    pthread_cleanup_pop(0);  
    return 0;  
}

int main(void)  
{  
    pthread_t tid;  
    int i;  
    struct node *p;  
    //子线程会一直等待资源,类似生产者和消费者,但是这里的消费者可以是多个消费者,而  
    //不仅仅支持普通的单个消费者,这个模型虽然简单,但是很强大  
    pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);  
    sleep(1);  
    for (i = 0; i < 10; i++)  
    {  
        p = (struct node*)malloc(sizeof(struct node));  
        p->n_number = i;  
        pthread_mutex_lock(&mtx); //需要操作head这个临界资源,先加锁,  
        p->n_next = head;  
        head = p;  
        pthread_cond_signal(&cond);  
        pthread_mutex_unlock(&mtx); //解锁  
        sleep(1);  
    }  
    printf("thread 1 wanna end the line.So cancel thread 2./n");  
    //关于pthread_cancel,有一点额外的说明,它是从外部终止子线程,子线程会在最近的取消点,退出  
    //线程,而在我们的代码里,最近的取消点肯定就是pthread_cond_wait()了。  
    pthread_cancel(tid);  
    pthread_join(tid, NULL);  
    printf("All done -- exiting/n");  
    return 0;  
}
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信号量(sem)


如同进程一样,线程也可以通过信号量来实现通信,虽然是轻量级的。信号量函数的名字都以”sem_”打头。线程使用的基本信号量函数有四个。

信号量初始化

int sem_init (sem_t *sem , int pshared, unsigned int value);
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这是对由sem指定的信号量进行初始化,设置好它的共享选项(linux 只支持为0,即表示它是当前进程的局部信号量),然后给它一个初始值VALUE。

等待信号量

该函数申请一个信号量,当前无可用信号量则等待,有可用信号量时占用一个信号量,对信号量的值减1。

int sem_wait(sem_t *sem);
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释放信号量

该函数释放一个信号量,信号量的值加1。

int sem_post(sem_t *sem);
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销毁信号量

我们用完信号量后都它进行清理。归还占有的一切资源。

int sem_destroy(sem_t *sem);
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实例1

#include <stdlib.h>  
#include <stdio.h>  
#include <unistd.h>  
#include <pthread.h>  
#include <semaphore.h>  
#include <errno.h>  
#define return_if_fail(p) if((p) == 0){printf ("[%s]:func error!/n", __func__);return;}  
typedef struct _PrivInfo  
{  
    sem_t s1;  
    sem_t s2;  
    time_t end_time;  
}PrivInfo;  

static void info_init (PrivInfo* thiz);  
static void info_destroy (PrivInfo* thiz);  
static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz);  
static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz);  

int main (int argc, char** argv)  
{  
    pthread_t pt_1 = 0;  
    pthread_t pt_2 = 0;  
    int ret = 0;  
    PrivInfo* thiz = NULL;  
    thiz = (PrivInfo* )malloc (sizeof (PrivInfo));  
    if (thiz == NULL)  
    {  
        printf ("[%s]: Failed to malloc priv./n");  
        return -1;  
    }  
    info_init (thiz);  
    ret = pthread_create (&pt_1, NULL, (void*)pthread_func_1, thiz);  
    if (ret != 0)  
    {  
        perror ("pthread_1_create:");  
    }  
    ret = pthread_create (&pt_2, NULL, (void*)pthread_func_2, thiz);  
    if (ret != 0)  
    {  
        perror ("pthread_2_create:");  
    }  
    pthread_join (pt_1, NULL);  
    pthread_join (pt_2, NULL);  
    info_destroy (thiz);  
    return 0;  
}  
static void info_init (PrivInfo* thiz)  
{  
    return_if_fail (thiz != NULL);  
    thiz->end_time = time(NULL) + 10;  
    sem_init (&thiz->s1, 0, 1);  
    sem_init (&thiz->s2, 0, 0);  
    return;  
}  
static void info_destroy (PrivInfo* thiz)  
{  
    return_if_fail (thiz != NULL);  
    sem_destroy (&thiz->s1);  
    sem_destroy (&thiz->s2);  
    free (thiz);  
    thiz = NULL;  
    return;  
}  
static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz)  
{  
    return_if_fail(thiz != NULL);  
    while (time(NULL) < thiz->end_time)  
    {  
        sem_wait (&thiz->s2);  
        printf ("pthread1: pthread1 get the lock./n");  
        sem_post (&thiz->s1);  
        printf ("pthread1: pthread1 unlock/n");  
        sleep (1);  
    }  
    return;  
}  
static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz)  
{  
    return_if_fail (thiz != NULL);  
    while (time (NULL) < thiz->end_time)  
    {  
        sem_wait (&thiz->s1);  
        printf ("pthread2: pthread2 get the unlock./n");  
        sem_post (&thiz->s2);  
        printf ("pthread2: pthread2 unlock./n");  
        sleep (1);  
    }  
    return;  
}
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实例2

采用信号量机制,解决苹果橙子问题:一个能放N(这里N设为3)个水果的盘子,爸爸只往盘子里放苹果,妈妈只放橙子,女儿只吃盘子里的橙子,儿子只吃苹果。 采用三个信号量: 1.sem_t empty:信号量empty控制盘子可放水果数,初始为3,因为开始盘子为空可放水果数为3。 2.sem_t apple ;信号量apple控制儿子可吃的苹果数,初始为0,因为开始盘子里没苹果。 3.sem_t orange;信号量orange控制女儿可吃的橙子是,初始为0,因为开始盘子里没橙子。 注:互斥量work_mutex只为printf输出时能够保持一致,可忽略。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>  
#include <semaphore.h>

sem_t empty;  //控制盘子里可放的水果数
sem_t apple;  //控制苹果数
sem_t orange; //控制橙子数
pthread_mutex_t work_mutex;                    //声明互斥量work_mutex
void *procf(void *arg) //father线程
          { 
             while(1){
                 sem_wait(&empty);     //占用一个盘子空间,可放水果数减1
                 pthread_mutex_lock(&work_mutex);     //加锁
                 printf("爸爸放入一个苹果!\n");
                 sem_post(&apple);     //释放一个apple信号了,可吃苹果数加1
                 pthread_mutex_unlock(&work_mutex);   //解锁
                 Sleep(3000);
             }

           }
void *procm(void *arg)  //mother线程
          { 
            while(1){
                sem_wait(&empty);
                pthread_mutex_lock(&work_mutex);     //加锁
                printf("妈妈放入一个橙子!\n");
                sem_post(&orange);
                pthread_mutex_unlock(&work_mutex);   //解锁
                Sleep(4000);
            }
           }
void *procs(void *arg)  //son线程
          { 
            while(1){
                sem_wait(&apple);       //占用一个苹果信号量,可吃苹果数减1 
                pthread_mutex_lock(&work_mutex);     //加锁
                printf("儿子吃了一个苹果!\n");
                sem_post(&empty);       //吃了一个苹果,释放一个盘子空间,可放水果数加1
                pthread_mutex_unlock(&work_mutex);   //解锁
                Sleep(1000);
            }
           }
void *procd(void *arg)  //daughter线程
          { 
            while(1){
                sem_wait(&orange);
                pthread_mutex_lock(&work_mutex);     //加锁
                printf("女儿吃了一个橙子!\n");
                sem_post(&empty);
                pthread_mutex_unlock(&work_mutex);   //解锁
                Sleep(2000);
            }

           }

void main()
{ 
    pthread_t father;  //定义线程
    pthread_t mother;
    pthread_t son;
    pthread_t daughter;

    sem_init(&empty, 0, 3);  //信号量初始化
    sem_init(&apple, 0, 0);
    sem_init(&orange, 0, 0);
    pthread_mutex_init(&work_mutex, NULL);   //初始化互斥量

    pthread_create(&father,NULL,procf,NULL);  //创建线程
    pthread_create(&mother,NULL,procm,NULL);
    pthread_create(&daughter,NULL,procd,NULL);
    pthread_create(&son,NULL,procs,NULL);

    Sleep(1000000000);
}
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