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分类: C/C++

2011-12-06 14:12:40

本文是 POSIX 线程三部曲系列的最后一部分,Daniel 将详细讨论如何使用条件变量。条件变量是 POSIX 线程结构,可以让您在遇到某些条件时“唤醒”线程。可以将它们看作是一种线程安全的信号发送。Daniel 使用目前您所学到的知识实现了一个多线程工作组应用程序,本文将围绕着这一示例而进行讨论。

上一篇文章结 束时,我描述了一个比较特殊的难题:如果线程正在等待某个特定条件发生,它应该如何处理这种情况?它可以重复对互斥对象锁定和解锁,每次都会检查共享数据 结构,以查找某个值。但这是在浪费时间和资源,而且这种繁忙查询的效率非常低。解决这个问题的最佳方法是使用 pthread_cond_wait() 调用来等待特殊条件发生。

了解 pthread_cond_wait() 的作用非常重要 -- 它是 POSIX 线程信号发送系统的核心,也是最难以理解的部分。

首先,让我们考虑以下情况:线程为查看已链接列表而锁定了互斥对象,然而该列表恰巧是空的。这一特定线程什么也干不了 -- 其设计意图是从列表中除去节点,但是现在却没有节点。因此,它只能:

锁定互斥对象时,线程将调用 pthread_cond_wait(&mycond,&mymutex)。pthread_cond_wait() 调用相当复杂,因此我们每次只执行它的一个操作。

pthread_cond_wait() 所做的第一件事就是同时对互斥对象解锁(于是其它线程可以修改已链接列表),并等待条件 mycond 发生(这样当 pthread_cond_wait() 接收到另一个线程的“信号”时,它将苏醒)。现在互斥对象已被解锁,其它线程可以访问和修改已链接列表,可能还会添加项。

此时,pthread_cond_wait() 调用还未返回。对互斥对象解锁会立即发生,但等待条件 mycond 通常是一个阻塞操作,这意味着线程将睡眠,在它苏醒之前不会消耗 CPU 周期。这正是我们期待发生的情况。线程将一直睡眠,直到特定条件发生,在这期间不会发生任何浪费 CPU 时间的繁忙查询。从线程的角度来看,它只是在等待 pthread_cond_wait() 调用返回。

现在继续说明,假设另一个线程(称作“2 号线程”)锁定了 mymutex 并对已链接列表添加了一项。在对互斥对象解锁之后,2 号线程会立即调用函数 pthread_cond_broadcast(&mycond)。此操作之后,2 号线程将使所有等待 mycond 条件变量的线程立即苏醒。这意味着第一个线程(仍处于 pthread_cond_wait() 调用中)现在将苏醒。

现在,看一下第一个线程发生了什么。您可能会认为在 2 号线程调用 pthread_cond_broadcast(&mymutex) 之后,1 号线程的 pthread_cond_wait() 会立即返回。不是那样!实际上,pthread_cond_wait() 将执行最后一个操作:重新锁定 mymutex。一旦 pthread_cond_wait() 锁定了互斥对象,那么它将返回并允许 1 号线程继续执行。那时,它可以马上检查列表,查看它所感兴趣的更改。






那个过程非常复杂,因此让我们先来回顾一下。第一个线程首先调用:

pthread_mutex_lock(&mymutex);

然后,它检查了列表。没有找到感兴趣的东西,于是它调用:

pthread_cond_wait(&mycond, &mymutex);

然后,pthread_cond_wait() 调用在返回前执行许多操作:

pthread_mutex_unlock(&mymutex);

它对 mymutex 解锁,然后进入睡眠状态,等待 mycond 以接收 POSIX 线程“信号”。一旦接收到“信号”(加引号是因为我们并不是在讨论传统的 UNIX 信号,而是来自 pthread_cond_signal() 或 pthread_cond_broadcast() 调用的信号),它就会苏醒。但 pthread_cond_wait() 没有立即返回 -- 它还要做一件事:重新锁定 mutex:

pthread_mutex_lock(&mymutex);

pthread_cond_wait() 知道我们在查找 mymutex “背后”的变化,因此它继续操作,为我们锁定互斥对象,然后才返回。






现在已回顾了 pthread_cond_wait() 调用,您应该了解了它的工作方式。应该能够叙述 pthread_cond_wait() 依次执行的所有操作。尝试一下。如果理解了 pthread_cond_wait(),其余部分就相当容易,因此请重新阅读以上部分,直到记住为止。好,读完之后,能否告诉我在调用 pthread_cond_wait() 之 ,互斥对象必须处于什么状态?pthread_cond_wait() 调用返回之后,互斥对象处于什么状态?这两个问题的答案都是“锁定”。既然已经完全理解了 pthread_cond_wait() 调用,现在来继续研究更简单的东西 -- 初始化和真正的发送信号和广播进程。到那时,我们将会对包含了多线程工作队列的 C 代码了如指掌。






条件变量是一个需要初始化的真实数据结构。以下就初始化的方法。首先,定义或分配一个条件变量,如下所示:

pthread_cond_t mycond;

然后,调用以下函数进行初始化:

pthread_cond_init(&mycond,NULL);

瞧,初始化完成了!在释放或废弃条件变量之前,需要毁坏它,如下所示:

pthread_cond_destroy(&mycond);

很简单吧。接着讨论 pthread_cond_wait() 调用。






一旦初始化了互斥对象和条件变量,就可以等待某个条件,如下所示:

pthread_cond_wait(&mycond, &mymutex);

请注意,代码在逻辑上应该包含 mycond 和 mymutex。一个特定条件只能有一个互斥对象,而且条件变量应该表示互斥数据“内部”的一种特殊的条件更改。一个互斥对象可以用许多条件变量(例 如,cond_empty、cond_full、cond_cleanup),但每个条件变量只能有一个互斥对象。






对于发送信号和广播,需要注意一点。如果线程更改某些共享数据,而且它想要唤醒所有正在等待的线程,则应使用 pthread_cond_broadcast 调用,如下所示:

pthread_cond_broadcast(&mycond);

在某些情况下,活动线程只需要唤醒第一个正在睡眠的线程。假设您只对队列添加了一个工作作业。那么只需要唤醒一个工作程序线程(再唤醒其它线程是不礼貌的!):

pthread_cond_signal(&mycond);

此函数只唤醒一个线程。如果 POSIX 线程标准允许指定一个整数,可以让您唤醒一定数量的正在睡眠的线程,那就更完美了。但是很可惜,我没有被邀请参加会议。






我将演示如何创建多线程工作组。在这个方案中,我们创建了许多工作程序线程。每个线程都会检查 wq(“工作队列”),查看是否有需要完成的工作。如果有需要完成的工作,那么线程将从队列中除去一个节点,执行这些特定工作,然后等待新的工作到达。

与此同时,主线程负责创建这些工作程序线程、将工作添加到队列,然后在它退出时收集所有工作程序线程。您将会遇到许多 C 代码,好好准备吧!






需要队列是出于两个原因。首先,需要队列来保存工作作业。还需要可用于跟踪已终止线程的数据结构。还记得前几篇文章(请参阅本文结尾处的 )中,我曾提到过需要使用带有特定进程标识的 pthread_join 吗?使用“清除队列”(称作 "cq")可以解决无法等待 任何已终止线程的问题(稍后将详细讨论这个问题)。以下是标准队列代码。将此代码保存到文件 queue.h 和 queue.c:



/* queue.h ** Copyright 2000 Daniel Robbins, Gentoo Technologies, Inc. ** Author: Daniel Robbins ** Date: 16 Jun 2000 */ typedef struct node { struct node *next; } node; typedef struct queue { node *head, *tail; } queue; void queue_init(queue *myroot); void queue_put(queue *myroot, node *mynode); node *queue_get(queue *myroot);




/* queue.c ** Copyright 2000 Daniel Robbins, Gentoo Technologies, Inc. ** Author: Daniel Robbins ** Date: 16 Jun 2000 ** ** This set of queue functions was originally thread-aware. I ** redesigned the code to make this set of queue routines ** thread-ignorant (just a generic, boring yet very fast set of queue ** routines). Why the change? Because it makes more sense to have ** the thread support as an optional add-on. Consider a situation ** where you want to add 5 nodes to the queue. With the ** thread-enabled version, each call to queue_put() would ** automatically lock and unlock the queue mutex 5 times -- that's a ** lot of unnecessary overhead. However, by moving the thread stuff ** out of the queue routines, the caller can lock the mutex once at ** the beginning, then insert 5 items, and then unlock at the end. ** Moving the lock/unlock code out of the queue functions allows for ** optimizations that aren't possible otherwise. It also makes this ** code useful for non-threaded applications. ** ** We can easily thread-enable this data structure by using the ** data_control type defined in control.c and control.h. */ #include #include "queue.h" void queue_init(queue *myroot) { myroot->head=NULL; myroot->tail=NULL; } void queue_put(queue *myroot,node *mynode) { mynode->next=NULL; if (myroot->tail!=NULL) myroot->tail->next=mynode; myroot->tail=mynode; if (myroot->:head==NULL) myroot->head=mynode; } node *queue_get(queue *myroot) { //get from root node *mynode; mynode=myroot->head; if (myroot->head!=NULL) myroot->head=myroot->head->next; return mynode; }
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