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Linux 线程同步的三种方法

分类： LINUX

2014-08-18 13:01:21

原文地址：Linux 线程同步的三种方法 作者：幸运啤酒盖

线程的最大特点是资源的共享性，但资源共享中的同步问题是多线程编程的难点。linux下提供了多种方式来处理线程同步，最常用的是互斥锁、条件变量和信号量。

一、互斥锁(mutex)

通过锁机制实现线程间的同步。

  1. 初始化锁。在Linux下，线程的互斥量数据类型是pthread_mutex_t。在使用前,要对它进行初始化。
    静态分配：pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
    动态分配：int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutex_attr_t *mutexattr);
  2. 加锁。对共享资源的访问，要对互斥量进行加锁，如果互斥量已经上了锁，调用线程会阻塞，直到互斥量被解锁。
    int pthread_mutex_lock(pthread_mutex *mutex);
    int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
  3. 解锁。在完成了对共享资源的访问后，要对互斥量进行解锁。
    int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
  4. 销毁锁。锁在是使用完成后，需要进行销毁以释放资源。
    int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex *mutex);
    1. #include <cstdio>
    2. #include <cstdlib>
    3. #include <unistd.h>
    4. #include <pthread.h>
    5. #include "iostream"
    6. using namespace std;
    7. pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
    8. int tmp;
    9. void* thread(void *arg)
    10. {
    11.     cout << "thread id is " << pthread_self() << endl;
    12.     pthread_mutex_lock(&mutex);
    13.     tmp = 12;
    14.     cout << "Now a is " << tmp << endl;
    15.     pthread_mutex_unlock(&mutex);
    16.     return NULL;
    17. }
    18. int main()
    19. {
    20.     pthread_t id;
    21.     cout << "main thread id is " << pthread_self() << endl;
    22.     tmp = 3;
    23.     cout << "In main func tmp = " << tmp << endl;
    24.     if (!pthread_create(&id, NULL, thread, NULL))
    25.     {
    26.         cout << "Create thread success!" << endl;
    27.     }
    28.     else
    29.     {
    30.         cout << "Create thread failed!" << endl;
    31.     }
    32.     pthread_join(id, NULL);
    33.     pthread_mutex_destroy(&mutex);
    34.     return 0;
    35. }
    36. //编译：g++ -o thread testthread.cpp -lpthread

二、条件变量(cond)

互斥锁不同，条件变量是用来等待而不是用来上锁的。条件变量用来自动阻塞一个线程，直到某特殊情况发生为止。通常条件变量和互斥锁同时使用。条件变量分为两部分: 条件和变量。条件本身是由互斥量保护的。线程在改变条件状态前先要锁住互斥量。条件变量使我们可以睡眠等待某种条件出现。条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制，主要包括两个动作：一个线程等待"条件变量的条件成立"而挂起；另一个线程使"条件成立"（给出条件成立信号）。条件的检测是在互斥锁的保护下进行的。如果一个条件为假，一个线程自动阻塞，并释放等待状态改变的互斥锁。如果另一个线程改变了条件，它发信号给关联的条件变量，唤醒一个或多个等待它的线程，重新获得互斥锁，重新评价条件。如果两进程共享可读写的内存，条件变量可以被用来实现这两进程间的线程同步。

  1. 初始化条件变量。
    静态态初始化，pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIER;
    动态初始化，int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr);
  2. 等待条件成立。释放锁,同时阻塞等待条件变量为真才行。timewait()设置等待时间,仍未signal,返回ETIMEOUT(加锁保证只有一个线程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. 激活条件变量。pthread_cond_signal,pthread_cond_broadcast（激活所有等待线程）
    int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
    int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond); //解除所有线程的阻塞
  4. 清除条件变量。无线程等待,否则返回EBUSY
    int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

    1. #include <stdio.h>
    2. #include <pthread.h>
    3. #include "stdlib.h"
    4. #include "unistd.h"
    5. pthread_mutex_t mutex;
    6. pthread_cond_t cond;
    7. void hander(void *arg)
    8. {
    9.     free(arg);
    10.     (void)pthread_mutex_unlock(&mutex);
    11. }
    12. void *thread1(void *arg)
    13. {
    14.     pthread_cleanup_push(hander, &mutex);
    15.     while(1)
    16.     {
    17.         printf("thread1 is running\n");
    18.         pthread_mutex_lock(&mutex);
    19.         pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
    20.         printf("thread1 applied the condition\n");
    21.         pthread_mutex_unlock(&mutex);
    22.         sleep(4);
    23.     }
    24.     pthread_cleanup_pop(0);
    25. }
    26. void *thread2(void *arg)
    27. {
    28.     while(1)
    29.     {
    30.         printf("thread2 is running\n");
    31.         pthread_mutex_lock(&mutex);
    32.         pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
    33.         printf("thread2 applied the condition\n");
    34.         pthread_mutex_unlock(&mutex);
    35.         sleep(1);
    36.     }
    37. }
    38. int main()
    39. {
    40.     pthread_t thid1,thid2;
    41.     printf("condition variable study!\n");
    42.     pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    43.     pthread_cond_init(&cond, NULL);
    44.     pthread_create(&thid1, NULL, thread1, NULL);
    45.     pthread_create(&thid2, NULL, thread2, NULL);
    46.     sleep(1);
    47.     do
    48.     {
    49.         pthread_cond_signal(&cond);
    50.     }while(1);
    51.     sleep(20);
    52.     pthread_exit(0);
    53.     return 0;
    54. }


  1. #include <pthread.h>
  2. #include <unistd.h>
  3. #include "stdio.h"
  4. #include "stdlib.h"
  5. static pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
  6. static pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
  7. struct node
  8. {
  9.     int n_number;
  10.     struct node *n_next;
  11. }*head = NULL;

  13. static void cleanup_handler(void *arg)
  14. {
  15.     printf("Cleanup handler of second thread./n");
  16.     free(arg);
  17.     (void)pthread_mutex_unlock(&mtx);
  18. }
  19. static void *thread_func(void *arg)
  20. {
  21.     struct node *p = NULL;
  22.     pthread_cleanup_push(cleanup_handler, p);
  23.     while (1)
  24.     {
  25.         //这个mutex主要是用来保证pthread_cond_wait的并发性
  26.         pthread_mutex_lock(&mtx);
  27.         while (head == NULL)
  28.         {
  29.             //这个while要特别说明一下，单个pthread_cond_wait功能很完善，为何
  30.             //这里要有一个while (head == NULL)呢？因为pthread_cond_wait里的线
  31.             //程可能会被意外唤醒，如果这个时候head != NULL，则不是我们想要的情况。
  32.             //这个时候，应该让线程继续进入pthread_cond_wait
  33.             // pthread_cond_wait会先解除之前的pthread_mutex_lock锁定的mtx，
  34.             //然后阻塞在等待对列里休眠，直到再次被唤醒(大多数情况下是等待的条件成立
  35.             //而被唤醒，唤醒后，该进程会先锁定先pthread_mutex_lock(&mtx);，再读取资源
  36.             //用这个流程是比较清楚的
  37.             pthread_cond_wait(&cond, &mtx);
  38.             p = head;
  39.             head = head->n_next;
  40.             printf("Got %d from front of queue/n", p->n_number);
  41.             free(p);
  42.         }
  43.         pthread_mutex_unlock(&mtx); //临界区数据操作完毕，释放互斥锁
  44.     }
  45.     pthread_cleanup_pop(0);
  46.     return 0;
  47. }
  48. int main(void)
  49. {
  50.     pthread_t tid;
  51.     int i;
  52.     struct node *p;
  53.     //子线程会一直等待资源，类似生产者和消费者，但是这里的消费者可以是多个消费者，而
  54.     //不仅仅支持普通的单个消费者，这个模型虽然简单，但是很强大
  55.     pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
  56.     sleep(1);
  57.     for (i = 0; i < 10; i++)
  58.     {
  59.         p = (struct node*)malloc(sizeof(struct node));
  60.         p->n_number = i;
  61.         pthread_mutex_lock(&mtx); //需要操作head这个临界资源，先加锁，
  62.         p->n_next = head;
  63.         head = p;
  64.         pthread_cond_signal(&cond);
  65.         pthread_mutex_unlock(&mtx); //解锁
  66.         sleep(1);
  67.     }
  68.     printf("thread 1 wanna end the line.So cancel thread 2./n");
  69.     //关于pthread_cancel，有一点额外的说明，它是从外部终止子线程，子线程会在最近的取消点，退出
  70.     //线程，而在我们的代码里，最近的取消点肯定就是pthread_cond_wait()了。
  71.     pthread_cancel(tid);
  72.     pthread_join(tid, NULL);
  73.     printf("All done -- exiting/n");
  74.     return 0;
  75. }

 

三、信号量(sem)

如同进程一样，线程也可以通过信号量来实现通信，虽然是轻量级的。信号量函数的名字都以"sem_"打头。线程使用的基本信号量函数有四个。

  1. 信号量初始化。
    int sem_init (sem_t *sem , int pshared, unsigned int value);
    这是对由sem指定的信号量进行初始化，设置好它的共享选项(linux 只支持为0，即表示它是当前进程的局部信号量)，然后给它一个初始值VALUE。
  2. 等待信号量。给信号量减1，然后等待直到信号量的值大于0。
    int sem_wait(sem_t *sem);
  3. 释放信号量。信号量值加1。并通知其他等待线程。
    int sem_post(sem_t *sem);
  4. 销毁信号量。我们用完信号量后都它进行清理。归还占有的一切资源。
    int sem_destroy(sem_t *sem);
    1. #include <stdlib.h>
    2. #include <stdio.h>
    3. #include <unistd.h>
    4. #include <pthread.h>
    5. #include <semaphore.h>
    6. #include <errno.h>
    7. #define return_if_fail(p) if((p) == 0){printf ("[%s]:func error!/n", __func__);return;}
    8. typedef struct _PrivInfo
    9. {
    10.     sem_t s1;
    11.     sem_t s2;
    12.     time_t end_time;
    13. }PrivInfo;

    15. static void info_init (PrivInfo* thiz);
    16. static void info_destroy (PrivInfo* thiz);
    17. static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz);
    18. static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz);

    20. int main (int argc, char** argv)
    21. {
    22.     pthread_t pt_1 = 0;
    23.     pthread_t pt_2 = 0;
    24.     int ret = 0;
    25.     PrivInfo* thiz = NULL;
    26.     thiz = (PrivInfo* )malloc (sizeof (PrivInfo));
    27.     if (thiz == NULL)
    28.     {
    29.         printf ("[%s]: Failed to malloc priv./n");
    30.         return -1;
    31.     }
    32.     info_init (thiz);
    33.     ret = pthread_create (&pt_1, NULL, (void*)pthread_func_1, thiz);
    34.     if (ret != 0)
    35.     {
    36.         perror ("pthread_1_create:");
    37.     }
    38.     ret = pthread_create (&pt_2, NULL, (void*)pthread_func_2, thiz);
    39.     if (ret != 0)
    40.     {
    41.         perror ("pthread_2_create:");
    42.     }
    43.     pthread_join (pt_1, NULL);
    44.     pthread_join (pt_2, NULL);
    45.     info_destroy (thiz);
    46.     return 0;
    47. }
    48. static void info_init (PrivInfo* thiz)
    49. {
    50.     return_if_fail (thiz != NULL);
    51.     thiz->end_time = time(NULL) + 10;
    52.     sem_init (&thiz->s1, 0, 1);
    53.     sem_init (&thiz->s2, 0, 0);
    54.     return;
    55. }
    56. static void info_destroy (PrivInfo* thiz)
    57. {
    58.     return_if_fail (thiz != NULL);
    59.     sem_destroy (&thiz->s1);
    60.     sem_destroy (&thiz->s2);
    61.     free (thiz);
    62.     thiz = NULL;
    63.     return;
    64. }
    65. static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz)
    66. {
    67.     return_if_fail(thiz != NULL);
    68.     while (time(NULL) < thiz->end_time)
    69.     {
    70.         sem_wait (&thiz->s2);
    71.         printf ("pthread1: pthread1 get the lock./n");
    72.         sem_post (&thiz->s1);
    73.         printf ("pthread1: pthread1 unlock/n");
    74.         sleep (1);
    75.     }
    76.     return;
    77. }
    78. static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz)
    79. {
    80.     return_if_fail (thiz != NULL);
    81.     while (time (NULL) < thiz->end_time)
    82.     {
    83.         sem_wait (&thiz->s1);
    84.         printf ("pthread2: pthread2 get the unlock./n");
    85.         sem_post (&thiz->s2);
    86.         printf ("pthread2: pthread2 unlock./n");
    87.         sleep (1);
    88.     }
    89.     return;
    90. }

 

 

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