Linux同步機制(二) - 條件變量,信號量,文件鎖,柵欄

1 條件變量

條件變量是一種同步機制，允許線程掛起，直到共享數據上的某些條件得到滿足。

1.1 相關函數

#include <pthread.h>
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t*cond_attr);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t*mutex, const struct timespec *abstime);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

1.2 說明

1. 條件變量是一種同步機制，允許線程掛起，直到共享數據上的某些條件得到滿足。條件變量上的基本操作有：觸發條件(當條件變爲true時)；等待條件，掛起線程直到其他線程觸發條件。
2. 條件變量要和互斥量相聯結，以避免出現條件競爭－－一個線程預備等待一個條件變量，當它在真正進入等待之前，另一個線程恰好觸發了該條件。
pthread_cond_init 使用 cond_attr指定的屬性初始化條件變量 cond，當 cond_attr爲 NULL 時，使用缺省的屬性。LinuxThreads實現條件變量不支持屬性，因此 cond_attr參數實際被忽略。
pthread_cond_t 類型的變量也可以用 PTHREAD_COND_INITIALIZER常量進行靜態初始化。
pthread_cond_signal 使在條件變量上等待的線程中的一個線程重新開始。如果沒有等待的線程，則什麼也不做。如果有多個線程在等待該條件，只有一個能重啓動，但不能指定哪一個。
pthread_cond_broadcast 重啓動等待該條件變量的所有線程。如果沒有等待的線程，則什麼也不做。
pthread_cond_wait 自動解鎖互斥量(如同執行了 pthread_unlock_mutex)，並等待條件變量觸發。這時線程掛起，不佔用 CPU 時間，直到條件變量被觸發。在調用 pthread_cond_wait 之前，應用程序必須加鎖互斥量。pthread_cond_wait 函數返回前，自動重新對互斥量加鎖(如同執行了 pthread_lock_mutex)。
互斥量的解鎖和在條件變量上掛起都是自動進行的。因此，在條件變量被觸發前，如果所有的線程都要對互斥量加鎖，這種機制可保證在線程加鎖互斥量和進入等待條件變量期間，條件變量不被觸發。
pthread_cond_timedwait 和 pthread_cond_wait一樣，自動解鎖互斥量及等待條件變量，但它還限定了等待時間。如果在 abstime指定的時間內 cond 未觸發，互斥量 mutex被重新加鎖，且 pthread_cond_timedwait返回錯誤 ETIMEDOUT。abstime參數指定一個絕對時間，時間原點與 time和 gettimeofday相同：abstime = 0表示 1970年 1月 1日 00:00:00 GMT。
pthread_cond_destroy 銷燬一個條件變量，釋放它擁有的資源。進入 pthread_cond_destroy之前，必須沒有在該條件變量上等待的線程。在 LinuxThreads的實現中，條件變量不聯結資源，除檢查有沒有等待的線程外，pthread_cond_destroy實際上什麼也不做。
3. 取消
pthread_cond_wait 和 pthread_cond_timedwait是取消點。如果一個線程在這些函數上掛起時被取消，線程立即繼續執行，然後再次對 pthread_cond_wait和 pthread_cond_timedwait在 mutex參數加鎖，最後執行取消。因此，當調用清除處理程序時，可確保，mutex是加鎖的。
4. 異步信號安全(Async-signalSafety)
條件變量函數不是異步信號安全的，不應當在信號處理程序中進行調用。特別要注意，如果在信號處理程序中調用 pthread_cond_signal或 pthread_cond_boardcast函數，可能導致調用線程死鎖。
5. 返回值

在執行成功時，所有條件變量函數都返回 0，錯誤時返回非零的錯誤代碼。
6. 錯誤代碼
pthread_cond_init,   pthread_cond_signal, pthread_cond_broadcast,和 pthread_cond_wait從不返回錯誤代碼。
pthread_cond_timedwait 函數出錯時返回下列錯誤代碼：
ETIMEDOUT   abstime 指定的時間超時時，條件變量未觸發
EINTR       pthread_cond_timedwait被觸發中斷
pthread_cond_destroy 函數出錯時返回下列錯誤代碼：
EBUSY       某些線程正在等待該條件變量
7. 舉例
設有兩個共享的變量 x 和 y，通過互斥量 mut保護，當 x > y時，條件變量 cond被觸發。
int x,y;
int x,y;
pthread_mutex_t mut = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

等待直到 x > y 的執行流程：
pthread_mutex_lock(&mut);
while (x <= y) {
    pthread_cond_wait(&cond, &mut);
}
/* 對 x、y進行操作 */
pthread_mutex_unlock(&mut);

對 x 和 y的修改可能導致 x > y，應當觸發條件變量：
pthread_mutex_lock(&mut);
/* 修改 x、y */
if (x > y) pthread_cond_broadcast(&cond);
pthread_mutex_unlock(&mut);

如果能夠確定最多隻有一個等待線程需要被喚醒(例如，如果只有兩個線程通過 x、y通信)，則使用 pthread_cond_signal比 pthread_cond_broadcast 效率稍高一些。如果不能確定，應當用pthread_cond_broadcast。

要等待在 5 秒內 x > y，這樣處理：
struct timeval now;
struct timespec timeout;
int retcode;

pthread_mutex_lock(&mut);
gettimeofday(&now);
timeout.tv_sec = now.tv_sec + 5;
timeout.tv_nsec = now.tv_usec * 1000;
retcode = 0;
while (x <= y && retcode != ETIMEDOUT) {
    retcode =pthread_cond_timedwait(&cond, &mut, &timeout);
}
if (retcode == ETIMEDOUT) {
    /* 發生超時 */
} else {
    /* 操作 x 和 y */
}
pthread_mutex_unlock(&mut);

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2 信號量

Semaphore，即信號量(sem_init)，用來保護多重資源的訪問，它可以設置一個大於0的值，如N，任何訪問者在該信號量大於1的情況下均可以獲得資源的訪問權，並將相應的信號量減1。一般在爲了線程在某一定程度上的順序執行才使用信號量，即線程A等待線程B執行完某些操作以後，才能繼續往下執行，可以理解爲，組裝廠A需要等待(sem_wait)元件廠B交付元件以後(sem_post)才能繼續生產。當信號量不再使用時，銷燬它(sem_destroy)。

2.1 相關函數

sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsignedint value)：初始化一個信號量

sem_wait(sem_t *sem)：一直等待信號量，直到信號量大於0

int sem_trywait(sem_t *sem)：等待信號量，沒有成功立即返回

sem_timedwait(sem_t *sem, const structtimespec *abs_timeout)：設定超時等待。

sem_post(sem_t *sem)：信號量加1

sem_destory(sem_t *sem)：釋放信號量。