Linux之线程同步篇

   linux进行多线程编程，最头疼的就是那些共享的数据。因为你无法知道哪个线程会在哪个时候对它进行操作，你也无法得知那个线程会先运行，哪个线程会后运行。下面介绍一些技术，通过他们，你会合理安排你的线程之间对资源的竞争。

l 互斥锁Mutex 

    斥锁用来保证一段时间内只有一个线程在执行一段代码。必要性显而易见：假设各个线程向同一个文件顺序写入数据，最后得到的结果一定是灾难性的。

2 条件变量Conditions

        互斥锁一个明显的缺点是它只有两种状态：锁定和非锁定。而条件变量通过允许线程阻塞和等待另一个线程发送信号的方法弥补了互斥锁的不足，它常和互斥锁一起使用。使用时，条件变量被用来阻塞一个线程，当条件不满足时，线程往往解开相应的互斥锁并等待条件发生变化。一旦其它的某个线程改变了条件变量，它将通知相应的条件变量唤醒一个或多个正被此条件变量阻塞的线程。这些线程将重新锁定互斥锁并重新测试条件是否满足。一般说来，条件变量被用来进行线承间的同步。

3 信号灯Semophore

   信号量本质上是一个非负的整数计数器，它被用来控制对公共资源的访问。当公共资源增加时，调用函数sem_post()增加信号量。只有当信号量值大于０时，才能使用公共资源，使用后，函数sem_wait()减少信号量。函数sem_trywait()和函数pthread_ mutex_trylock()起同样的作用，它是函数sem_wait()的非阻塞版本。下面我们逐个介绍和信号量有关的一些函数，它们都在头文件/usr/include/semaphore.h中定义。

一、Mutex的使用步骤

(1)  pthread_mutex_t mutex;

(2) pthread_mutex_init (&mutex,NULL);

     或者pthread_mutex_t mutex= PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;                            _  备注：后面的NULL其实就是pthread_mutexattr_t  m_MutexAttr;在这里设置为NULL

(3) pthread_mutex_lock (&mutex);

(4) pthread_mutex_unlock(&mutex);

C++实现的类：

class CThreadMutex
{
    //friend class CCondition;
protected:
    pthread_mutex_t      m_Mutex;
    pthread_mutexattr_t  m_MutexAttr;

public:

    CThreadMutex( ){
        pthread_mutexattr_init( &m_MutexAttr );
        pthread_mutex_init( &m_Mutex, &m_MutexAttr );
    }

    virtual ~CThreadMutex( ){
        pthread_mutexattr_destroy( &m_MutexAttr );
        pthread_mutex_destroy( &m_Mutex );
    }
   
    pthread_mutex_t* GetMutex( ) { return &m_Mutex; }

    virtual int Lock   ( ) { return pthread_mutex_lock   ( &m_Mutex ); }
    virtual int Unlock ( ) { return pthread_mutex_unlock ( &m_Mutex ); }
    virtual int Trylock ( ){ return pthread_mutex_trylock ( &m_Mutex ); }
};

二、Conditions使用

(1) 声明pthread_cond_t变量后，调用pthread_cond_init()函数，第一个参数为之前声明的变量。第二个参数在Linux中不起作用。

pthread_cond_t cond;

pthread_cond_init(&cond,NULL);

(2) pthread_cond_wait(&cond,&mutex);

      pthread_cond_broadcast()。

(3) pthread_cond_signal(&cond);

使用例子：

#include

#include

pthread_mutex_t mutex;

pthread_cond_t cond;

int flag;

void init()

{

         pthread_mutex_init(&mutex,NULL);

         pthread_cond_init(&cond,NULL);

         flag=0;

}

void * Thread_Function(void * arg)

{

//loop infinitely

        while(1)

       {

              pthread_mutex_lock(&mutex);

              while(!flag)

                     pthread_cond_wait(&cond,&mutex);

              pthread_mutex_unlock(&mutex);

             do_some_work();

        }

}

void SetFlag()

{

      pthread_mutex_lock(&mutex);

      flag=1;

      pthread_cond_signal(&cond);

      pthread_mutex_unlock(&mutex);

}

三、Semophore使用

(1) sem_t sem;
(2) sem_post(&sem);
(3) sem_wait(&sem);

使用信号量
　　信号量本质上是一个非负的整数计数器，它被用来控制对公共资源的访问。当公共资源增加时，调用函数sem_post（）增加信号量。只有当信号量值大于０时，才能使用公共资源，使用后，函数sem_wait（）减少信号量。函数sem_trywait（）和函数pthread_ mutex_trylock（）起同样的作用，它是函数sem_wait（）的非阻塞版本。下面我们逐个介绍和信号量有关的一些函数，它们都在头文件/usr/include/semaphore.h中定义。
　　信号量的数据类型为结构sem_t，它本质上是一个长整型的数。函数sem_init（）用来初始化一个信号量。它的原型为：
　　extern int sem_init __P ((sem_t *__sem, int __pshared, unsigned int __value));
　　sem为指向信号量结构的一个指针；pshared不为０时此信号量在进程间共享，否则只能为当前进程的所有线程共享；value给出了信号量的初始值。
　　函数sem_post( sem_t *sem )用来增加信号量的值。当有线程阻塞在这个信号量上时，调用这个函数会使其中的一个线程不在阻塞，选择机制同样是由线程的调度策略决定的。
　　函数sem_wait( sem_t *sem )被用来阻塞当前线程直到信号量sem的值大于0，解除阻塞后将sem的值减一，表明公共资源经使用后减少。函数sem_trywait ( sem_t *sem )是函数sem_wait（）的非阻塞版本，它直接将信号量sem的值减一。
　　函数sem_destroy(sem_t *sem)用来释放信号量sem。
　　下面我们来看一个使用信号量的例子。在这个例子中，一共有4个线程，其中两个线程负责从文件读取数据到公共的缓冲区，另两个线程从缓冲区读取数据作不同的处理（加和乘运算）。
/* File sem.c */
#include
#include
#include
#define MAXSTACK 100
int stack[MAXSTACK][2];
int size=0;
sem_t sem;
/* 从文件1.dat读取数据，每读一次，信号量加一*/
void ReadData1(void){
FILE *fp=fopen("1.dat","r");
while(!feof(fp)){
fscanf(fp,"%d %d",&stack[size][0],&stack[size][1]);
sem_post(&sem);
++size;
}
fclose(fp);
}
/*从文件2.dat读取数据*/
void ReadData2(void){
FILE *fp=fopen("2.dat","r");
while(!feof(fp)){
fscanf(fp,"%d %d",&stack[size][0],&stack[size][1]);
sem_post(&sem);
++size;
}
fclose(fp);
}
/*阻塞等待缓冲区有数据，读取数据后，释放空间，继续等待*/
void HandleData1(void){
while(1){
sem_wait(&sem);
printf("Plus:%d+%d=%dn",stack[size][0],stack[size][1],
stack[size][0]+stack[size][1]);
--size;
}
}

void HandleData2(void){
while(1){
sem_wait(&sem);
printf("Multiply:%d*%d=%dn",stack[size][0],stack[size][1],
stack[size][0]*stack[size][1]);
--size;
}
}
int main(void){
pthread_t t1,t2,t3,t4;
sem_init(&sem,0,0);
pthread_create(&t1,NULL,(void *)HandleData1,NULL);
pthread_create(&t2,NULL,(void *)HandleData2,NULL);
pthread_create(&t3,NULL,(void *)ReadData1,NULL);
pthread_create(&t4,NULL,(void *)ReadData2,NULL);
/* 防止程序过早退出，让它在此无限期等待*/
pthread_join(t1,NULL);
}

　　在Linux下，我们用命令gcc -lpthread sem.c -o sem生成可执行文件sem。 我们事先编辑好数据文件1.dat和2.dat，假设它们的内容分别为1 2 3 4 5 6 7 8 9 10和 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 ，我们运行sem，得到如下的结果：
Multiply:-1*-2=2
Plus:-1+-2=-3
Multiply:9*10=90
Plus:-9+-10=-19
Multiply:-7*-8=56
Plus:-5+-6=-11
Multiply:-3*-4=12
Plus:9+10=19
Plus:7+8=15
Plus:5+6=11

　　从中我们可以看出各个线程间的竞争关系。而数值并未按我们原先的顺序显示出来这是由于size这个数值被各个线程任意修改的缘故。这也往往是多线程编程要注意的问题。

5 小结
　　多线程编程是一个很有意思也很有用的技术，使用多线程技术的网络蚂蚁是目前最常用的下载工具之一，使用多线程技术的grep比单线程的grep要快上几倍，类似的例子还有很多。希望大家能用多线程技术写出高效实用的好程序来。