Linux操作系统下的多线程编程详细解析（7） 条件变量

Condition Variable (条件变量) 

    也是一种用于同步的device. 允许一个进程（或线程）将自己挂起等待一个条件变量的状态

被改变.
    有下列几个函数:

    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);

    我想看看名字就可以知道它们的用途了. 通常我们也使用静态变量来初始化一个条件变量.
    Example:
    pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
   
    pthread_cond_signal 用于唤醒一个被锁定的线程.
    pthread_cond_broadcast 用于唤醒所有被锁定的线程.
    pthread_cond_wait 用于等待.

    为了解决竞争问题(即一个线程刚要去wait而另一个线程已经signal了), 它要与一个mutex连用.

    看一看下面的典型的例子。

假设x、y这两个变量被多个线程共享，我们希望这个线程一直等到x和y相等才继续执行这个线程。典型的忙等待方法如下(这是一个错误的方法)：

while( x != y );

下面是使用条件变量正确的方法：

pthread_mutex_t mut = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

//Waiting until X is the same as Y is performed as follows:

pthread_mutex_lock(&mut);
while (x != y) {
    pthread_cond_wait(&cond, &mut);
}
/**//* operate on x and y */
pthread_mutex_unlock(&mut);

    pthread_cond_wait的执行过程如下:
    1. 首先, 它unlock the mutex, then 挂起当前的线程.
    2. 当被唤醒的时候, 它会lock the mutex.

    这样就保证了这是一个临界区.

PS：转载：

条件变量

索引：

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1.初始化条件变量pthread_cond_init

#include 
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cv,
const pthread_condattr_t *cattr);
返回值：函数成功返回0；任何其他返回值都表示错误

初始化一个条件变量。当参数cattr为空指针时，函数创建的是一个缺省的条件变量。否则条件变量的属性将由cattr中的属性值来决定。调用 pthread_cond_init函数时，参数cattr为空指针等价于cattr中的属性为缺省属性，只是前者不需要cattr所占用的内存开销。这 个函数返回时，条件变量被存放在参数cv指向的内存中。

可以用宏PTHREAD_COND_INITIALIZER来初始化静态定义的条件变量，使其具有缺省属性。这和用pthread_cond_init函数动态分配的效果是一样的。初始化时不进行错误检查。如：

pthread_cond_t cv = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

不能由多个线程同时初始化一个条件变量。当需要重新初始化或释放一个条件变量时，应用程序必须保证这个条件变量未被使用。

 

2.阻塞在条件变量上pthread_cond_wait

#include 
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cv,
pthread_mutex_t *mutex);
返回值：函数成功返回0；任何其他返回值都表示错误

函数将解锁mutex参数指向的互斥锁，并使当前线程阻塞在cv参数指向的条件变量上。

被阻塞的线程可以被pthread_cond_signal函数，pthread_cond_broadcast函数唤醒，也可能在被信号中断后被唤醒。

pthread_cond_wait函数的返回并不意味着条件的值一定发生了变化，必须重新检查条件的值。

pthread_cond_wait函数返回时，相应的互斥锁将被当前线程锁定，即使是函数出错返回。

一般一个条件表达式都是在一个互斥锁的保护下被检查。当条件表达式未被满足时，线程将仍然阻塞在这个条件变量上。当另一个线程改变了条件的值并向条件变量发出信号时，等待在这个条件变量上的一个线程或所有线程被唤醒，接着都试图再次占有相应的互斥锁。

阻塞在条件变量上的线程被唤醒以后，直到pthread_cond_wait()函数返回之前条件的值都有可能发生变化。所以函数返回以后，在锁定 相应的互斥锁之前，必须重新测试条件值。最好的测试方法是循环调用pthread_cond_wait函数，并把满足条件的表达式置为循环的终止条件。 如：

pthread_mutex_lock();
while (condition_is_false)
	pthread_cond_wait();
pthread_mutex_unlock();

阻塞在同一个条件变量上的不同线程被释放的次序是不一定的。

注意：pthread_cond_wait()函数是退出点，如果在调用这个函数时，已有一个挂起的退出请求，且线程允许退出，这个线程将被终止并开始执行善后处理函数，而这时和条件变量相关的互斥锁仍将处在锁定状态。

 

3.解除在条件变量上的阻塞pthread_cond_signal

#include 
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cv);
返回值：函数成功返回0；任何其他返回值都表示错误

函数被用来释放被阻塞在指定条件变量上的一个线程。

必须在互斥锁的保护下使用相应的条件变量。否则对条件变量的解锁有可能发生在锁定条件变量之前，从而造成死锁。

唤醒阻塞在条件变量上的所有线程的顺序由调度策略决定，如果线程的调度策略是SCHED_OTHER类型的，系统将根据线程的优先级唤醒线程。

如果没有线程被阻塞在条件变量上，那么调用pthread_cond_signal()将没有作用。

 

4.阻塞直到指定时间pthread_cond_timedwait

#include 
#include 
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cv,
pthread_mutex_t *mp, const structtimespec * abstime);
返回值：函数成功返回0；任何其他返回值都表示错误

函数到了一定的时间，即使条件未发生也会解除阻塞。这个时间由参数abstime指定。函数返回时，相应的互斥锁往往是锁定的，即使是函数出错返回。

注意：pthread_cond_timedwait函数也是退出点。

超时时间参数是指一天中的某个时刻。使用举例：

pthread_timestruc_t to;
to.tv_sec = time(NULL) + TIMEOUT;
to.tv_nsec = 0;

超时返回的错误码是ETIMEDOUT。

 

5.释放阻塞的所有线程pthread_cond_broadcast

#include 
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cv);
返回值：函数成功返回0；任何其他返回值都表示错误

函数唤醒所有被pthread_cond_wait函数阻塞在某个条件变量上的线程，参数cv被用来指定这个条件变量。当没有线程阻塞在这个条件变量上时，pthread_cond_broadcast函数无效。

由于pthread_cond_broadcast函数唤醒所有阻塞在某个条件变量上的线程，这些线程被唤醒后将再次竞争相应的互斥锁，所以必须小心使用pthread_cond_broadcast函数。

 

6.释放条件变量pthread_cond_destroy

#include 
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cv);
返回值：函数成功返回0；任何其他返回值都表示错误

释放条件变量。

注意：条件变量占用的空间并未被释放。

 

7.唤醒丢失问题

在线程未获得相应的互斥锁时调用pthread_cond_signal或pthread_cond_broadcast函数可能会引起唤醒丢失问题。

唤醒丢失往往会在下面的情况下发生：

1. 一个线程调用pthread_cond_signal或pthread_cond_broadcast函数；
2. 另一个线程正处在测试条件变量和调用pthread_cond_wait函数之间；
3. 没有线程正在处在阻塞等待的状态下。