Linux 線程同步的三種方法

線程的最大特點是資源的共享性，但資源共享中的同步問題是多線程編程的難點。linux下提供了多種方式來處理線程同步，最常用的是互斥鎖、條件變量和信號量。

一、互斥鎖(mutex)

通過鎖機制實現線程間的同步。

1. 初始化鎖。在Linux下，線程的互斥量數據類型是pthread_mutex_t。在使用前,要對它進行初始化。
   靜態分配：pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
   動態分配：int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutex_attr_t *mutexattr);
2. 加鎖。對共享資源的訪問，要對互斥量進行加鎖，如果互斥量已經上了鎖，調用線程會阻塞，直到互斥量被解鎖。
   int pthread_mutex_lock(pthread_mutex *mutex);
   int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
3. 解鎖。在完成了對共享資源的訪問後，要對互斥量進行解鎖。
   int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
4. 銷燬鎖。鎖在是使用完成後，需要進行銷燬以釋放資源。
   int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex *mutex);

#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;
}
//編譯：g++ -o thread testthread.cpp -lpthread

 

二、條件變量(cond)

互斥鎖不同，條件變量是用來等待而不是用來上鎖的。條件變量用來自動阻塞一個線程，直到某特殊情況發生爲止。通常條件變量和互斥鎖同時使用。條件變量分爲兩部分: 條件和變量。條件本身是由互斥量保護的。線程在改變條件狀態前先要鎖住互斥量。條件變量使我們可以睡眠等待某種條件出現。條件變量是利用線程間共享的全局變量進行同步的一種機制，主要包括兩個動作：一個線程等待"條件變量的條件成立"而掛起；另一個線程使"條件成立"（給出條件成立信號）。條件的檢測是在互斥鎖的保護下進行的。如果一個條件爲假，一個線程自動阻塞，並釋放等待狀態改變的互斥鎖。如果另一個線程改變了條件，它發信號給關聯的條件變量，喚醒一個或多個等待它的線程，重新獲得互斥鎖，重新評價條件。如果兩進程共享可讀寫的內存，條件變量可以被用來實現這兩進程間的線程同步。

1. 初始化條件變量。
   靜態態初始化，pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIER;
   動態初始化，int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr);
2. 等待條件成立。釋放鎖,同時阻塞等待條件變量爲真才行。timewait()設置等待時間,仍未signal,返回ETIMEOUT(加鎖保證只有一個線程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);
3. 激活條件變量。pthread_cond_signal,pthread_cond_broadcast（激活所有等待線程）
   int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
   int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond); //解除所有線程的阻塞
4. 清除條件變量。無線程等待,否則返回EBUSY
   int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

#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;
}

#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)
	{
		//這個mutex主要是用來保證pthread_cond_wait的併發性
		pthread_mutex_lock(&mtx);
		while (head == NULL)
		{
			//這個while要特別說明一下，單個pthread_cond_wait功能很完善，爲何
			//這裏要有一個while (head == NULL)呢？因爲pthread_cond_wait裏的線
			//程可能會被意外喚醒，如果這個時候head != NULL，則不是我們想要的情況。
			//這個時候，應該讓線程繼續進入pthread_cond_wait
			// pthread_cond_wait會先解除之前的pthread_mutex_lock鎖定的mtx，
			//然後阻塞在等待對列裏休眠，直到再次被喚醒(大多數情況下是等待的條件成立
			//而被喚醒，喚醒後，該進程會先鎖定先pthread_mutex_lock(&mtx);，再讀取資源
			//用這個流程是比較清楚的
			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); //臨界區數據操作完畢，釋放互斥鎖
	}
	pthread_cleanup_pop(0);
	return 0;
}
int main(void)
{
	pthread_t tid;
	int i;
	struct node *p;
	//子線程會一直等待資源，類似生產者和消費者，但是這裏的消費者可以是多個消費者，而
	//不僅僅支持普通的單個消費者，這個模型雖然簡單，但是很強大
	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這個臨界資源，先加鎖，
		p->n_next = head;
		head = p;
		pthread_cond_signal(&cond);
		pthread_mutex_unlock(&mtx); //解鎖
		sleep(1);
	}
	printf("thread 1 wanna end the line.So cancel thread 2./n");
	//關於pthread_cancel，有一點額外的說明，它是從外部終止子線程，子線程會在最近的取消點，退出
	//線程，而在我們的代碼裏，最近的取消點肯定就是pthread_cond_wait()了。
	pthread_cancel(tid);
	pthread_join(tid, NULL);
	printf("All done -- exiting/n");
	return 0;
}

三、信號量(sem)

如同進程一樣，線程也可以通過信號量來實現通信，雖然是輕量級的。信號量函數的名字都以"sem_"打頭。線程使用的基本信號量函數有四個。

1. 信號量初始化。
   int sem_init (sem_t *sem , int pshared, unsigned int value);
   這是對由sem指定的信號量進行初始化，設置好它的共享選項(linux 只支持爲0，即表示它是當前進程的局部信號量)，然後給它一個初始值VALUE。
2. 等待信號量。給信號量減1，然後等待直到信號量的值大於0。
   int sem_wait(sem_t *sem);
3. 釋放信號量。信號量值加1。並通知其他等待線程。
   int sem_post(sem_t *sem);
4. 銷燬信號量。我們用完信號量後都它進行清理。歸還佔有的一切資源。
   int sem_destroy(sem_t *sem);

#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;
}