Linux之线程同步篇

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         互斥体Mutex

l         信号灯Semophore

l         条件变量Conditions

先说一下互斥量。

什么时候会用上互斥量了？比如你现在有一全局链表，你有几个工作线程。每一个线程从该链表中取出头节点，然后对该头节点进行处理。比如现在线程1正在取出头节点，他的操作如下：

Item * p =queue_list;

Queue_list=queue_list->next;

Process_job(p);

Free(p);

当线程1处理完第一步，也就是Item *p=queue_list后，这时候系统停止线程1的运行，改而运行线程2。线程2照样取出头节点，然后进行处理，最后释放了该节点。过了段时间，线程1重新得到运行。而这个时候，其实p所指向的节点已经被线程2释放掉，而线程1对此毫无知晓。他会接着运行process_job(p)。而这将导致无法预料的后果！

对于这种情况，系统给我们提供了互斥量。你在取出头节点前必须要等待互斥量，如果此时有其他线程已经获得该互斥量，那么线程将会阻塞在这个地方。只有等到其他线程释放掉该互斥量后，你的线程才有可能得到该互斥量。为什么是可能了？因为可能此时有不止你一个线程在等候该互斥量，而系统无法保证你的线程将会优先运行。

互斥量的类型为pthread_mutex_t。你可以声明多个互斥量。在声明该变量后，你需要调用pthread_mutex_init()来创建该变量。pthread_mutex_init的格式如下：

int  pthread_mutex_init(pthread_mutex_t  *mutex,  const  pthread_mutex-

       attr_t *mutexattr);

第一个参数，mutext，也就是你之前声明的那个互斥量，第二个参数为该互斥量的属性。这个将在后面详细讨论。

在创建该互斥量之后，你便可以使用它了。要得到互斥量，你需要调用下面的函数：

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

该函数用来给互斥量上锁，也就是我们前面所说的等待操作。互斥量一旦被上锁后，其他线程如果想给该互斥量上锁，那么就会阻塞在这个操作上。如果在此之前该互斥量已经被其他线程上锁，那么该操作将会一直阻塞在这个地方，直到获得该锁为止。

在得到互斥量后，你就可以进入关键代码区了。

同样，在操作完成后，你必须调用下面的函数来给互斥量解锁，也就是前面所说的释放。这样其他等待该锁的线程才有机会获得该锁，否则其他线程将会永远阻塞。

 

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

下面给出一个简单的例子：

#include
#include

 

struct job {
        /* Link field for linked list. */
        struct job* next;
        /* Other fields describing work to be done... */
};

 

/* A linked list of pending jobs. */
struct job* job_queue;

/* A mutex protecting job_queue. */
pthread_mutex_t job_queue_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
/* Process queued jobs until the queue is empty. */

 

void* thread_function (void* arg)
{
        while (1)
        {
                struct job* next_job;
                /* Lock the mutex on the job queue. */
                pthread_mutex_lock (&job_queue_mutex);

 

                /* Now it’s safe to check if the queue is empty. */
                if (job_queue == NULL)
                {
                        next_job = NULL;
                }
                else
                {
                        /* Get the next available job. */
                        next_job = job_queue;
                        /* Remove this job from the list. */
                        job_queue = job_queue->next;
                }

 

                /* Unlock the mutex on the job queue because we’re done with the
                queue for now. */
                pthread_mutex_unlock (&job_queue_mutex);

                /* Was the queue empty? If so, end the thread. */
                if (next_job == NULL)
                {
                        break;
                }

 

                /* Carry out the work. */
                process_job (next_job);

                /* Clean up. */
                free (next_job);
        } // end while

 

        return NULL;
}

 

在这个例子中我们使用了下面一条语句：

pthread_mutex_t job_queue_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

       他的作用和调用pthread_mutex_init()函数一样。

 

如果一个线程已经给一个互斥量上锁了，后来在操作的过程中又再次调用了该上锁的操作，那么该线程将会无限阻塞在这个地方，从而导致死锁。怎么变了？这就需要我们之前所提到的互斥量的属性。

互斥量分为下面三种：

l         快速型。这种类型也是默认的类型。该线程的行为正如上面所说的。

l         递归型。如果遇到我们上面所提到的死锁情况，同一线程循环给互斥量上锁，那么系统将会知道该上锁行为来自同一线程，那么就会同意线程给该互斥量上锁。

l         错误检测型。如果该互斥量已经被上锁，那么后续的上锁将会失败而不会阻塞，pthread_mutex_lock()操作将会返回EDEADLK。

互斥量的属性类型为pthread_mutexattr_t。声明后调用pthread_mutexattr_init()来创建该互斥量。然后调用int pthread_mutexattr_settype(pthread_mutexattr_t *attr, int kind);来设置属性。int pthread_mutexattr_settype(pthread_mutexattr_t *attr, int kind);格式如下：

int pthread_mutexattr_settype(pthread_mutexattr_t *attr, int kind);

第一个参数，attr，就是前面声明的属性变量，第二个参数,kind，就是我们要设置的属性类型。他有下面几个选项：

l         PTHREAD_MUTEX_FAST_NP

l         PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP

l         PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP

下面给出一个使用属性的简单过程：

pthread_mutex_t mutex;

pthread_mutexattr_t attr;

pthread_mutexattr_init(&attr);

pthread_mutexattr_settype(&attr,PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP);

pthread_mutex_init(&mutex,&attr);

pthread_mutex_destroy(&attr);

 

前面我们提到在调用pthread_mutex_lock()的时候，如果此时mutex已经被其他线程上锁，那么该操作将会一直阻塞在这个地方。如果我们此时不想一直阻塞在这个地方，那么可以调用下面函数：

pthread_mutex_trylock()

如果此时互斥量没有被上锁，那么pthread_mutex_trylock()将会返回0，并会对该互斥量上锁。如果互斥量已经被上锁，那么会立刻返回EBUSY。

 

上面谈到的是使用互斥量。如果碰到下面这种情况，该怎么办了？

还是上面程序中提到的工作链表。此时必然有一个生产者线程，用于往链表里添加节点。如果这一段时间没有工作，那么工作线程将会不停的调用lock,unlock操作。而这样的操作毫无疑义。

在这里系统给我们提供了另外一种同步机制，信号灯,Semaphore。

信号灯其实就是一个计数器，也是一个整数。每一次调用wait操作将会使semaphore值减一，而如果semaphore值已经为0，则wait操作将会阻塞。每一次调用post操作将会使semaphore值加一。将这些操作用到上面的问题中。工作线程每一次调用wait操作，如果此时链表中没有节点，则工作线程将会阻塞，直到链表中有节点。生产者线程在每次往链表中添加节点后调用post操作，信号灯值会加一。这样阻塞的工作线程就会停止阻塞，继续往下执行。

信号灯的类型为sem_t。在声明后必须调用sem_init()。需要传递两个参数，第一个参数就是你之前声明的sem_t变量，第二个必须为0。当你不再需要信号灯时，你必须调用sem_destroy()来释放资源。

等待信号灯的操作为sem_wait()。投递一个信号的操作为sem_wait()。和互斥量一样，等待信号灯也有一个非阻塞的操作，sem_trywait()。该操作在没有信号灯的时候返回EAGAIN。

下面是一个结合了互斥量和信号灯的例子：

#include
#include
#include

 

struct job {
        /* Link field for linked list. */
        struct job* next;
        /* Other fields describing work to be done... */
};

 

/* A linked list of pending jobs. */
struct job* job_queue;

/* A mutex protecting job_queue. */
pthread_mutex_t job_queue_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

/* A semaphore counting the number of jobs in the queue. */
sem_t job_queue_count;

/* Perform one-time initialization of the job queue. */
void initialize_job_queue ()
{
        /* The queue is initially empty. */
        job_queue = NULL;

 

        /* Initialize the semaphore which counts jobs in the queue. Its
        initial value should be zero. */
        sem_init (&job_queue_count, 0, 0);
}

 

/* Process queued jobs until the queue is empty. */
void* thread_function (void* arg)
{
        while (1)
        {
                struct job* next_job;

 

                /* Wait on the job queue semaphore. If its value is positive,
                indicating that the queue is not empty, decrement the count by
                1. If the queue is empty, block until a new job is enqueued. */
                sem_wait (&job_queue_count);

                /* Lock the mutex on the job queue. */
                pthread_mutex_lock (&job_queue_mutex);

 

                /* Because of the semaphore, we know the queue is not empty. Get
                the next available job. */
                next_job = job_queue;

 

                /* Remove this job from the list. */
                job_queue = job_queue->next;

 

                /* Unlock the mutex on the job queue because we’re done with the
                queue for now. */
                pthread_mutex_unlock (&job_queue_mutex);

 

                /* Carry out the work. */
                process_job (next_job);

 

                /* Clean up. */
                free (next_job);
        } // end while

 

        return NULL;
}

 

/* Add a new job to the front of the job queue. */
void enqueue_job (/* Pass job-specific data here... */)
{
        struct job* new_job;

 

        /* Allocate a new job object. */
        new_job = (struct job*) malloc (sizeof (struct job));

 

        /* Set the other fields of the job struct here... */
        /* Lock the mutex on the job queue before accessing it. */
        pthread_mutex_lock (&job_queue_mutex);

 

        /* Place the new job at the head of the queue. */
        new_job->next = job_queue;
        job_queue = new_job;

 

        /* Post to the semaphore to indicate that another job is available. If
        threads are blocked, waiting on the semaphore, one will become
        unblocked so it can process the job. */
        sem_post (&job_queue_count);

 

        /* Unlock the job queue mutex. */
        pthread_mutex_unlock (&job_queue_mutex);
}

 

 

 

 

下面说一下第三种同步机制—条件变量。

如果现在在等待一个信号。如果该信号被设置，则继续运行。如果没有条件变量，我们将会不停的去查询该信号是否被设置，这样就会浪费大量的cpu。而通过使用条件变量，我们就可以将等待信号的线程阻塞，直到有信号的时候再去唤醒它。

条件变量的类型是pthread_cond_t。

下面简单说一下如何使用条件变量。

l         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。

l         声明一个pthread_mutex_t变量，并调用pthread_mutex_init()初始化。

l         调用pthread_cond_signal()，发出信号。如果此时有线程在等待该信号，那么该线程将会唤醒。如果没有，该信号就会别忽略。

l         如果想唤醒所有等待该信号的线程，调用pthread_cond_broadcast()。

l         调用pthread_cond_wait()等待信号。如果没有信号，线程将会阻塞，直到有信号。该函数的第一个参数是条件变量，第二个参数是一个mutex。在调用该函数之前必须先获得互斥量。如果线程阻塞，互斥量将立刻会被释放。

下面给出一个简单的使用例子。

#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);
}

 

关于线程同步的技术先说到这个地方。