分类： LINUX
2012-05-17 19:12:38
条件变量
一、什么是条件变量
与互斥锁不同，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。
使用条件变量之前要先进行初始化。可以在单个语句中生成和初始化一个条件变量如：
pthread_cond_t my_condition=PTHREAD_COND_INITIALIZER;（用于进程间线程的通信）。
也可以利用函数pthread_cond_init动态初始化。
二、条件变量函数
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名称： |
pthread_cond_init |
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目标： |
条件变量初始化 |
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头文件： |
#include < pthread.h> |
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函数原形： |
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr); |
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参数: |
cptr 条件变量 attr 条件变量属性 |
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返回值： |
成功返回0，出错返回错误编号。 |
pthread_cond_init函数可以用来初始化一个条件变量。他使用变量attr所指定的属性来初始化一个条件变量，如果参数attr为空，那么它将使用缺省的属性来设置所指定的条件变量。
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名称： |
pthread_cond_destroy |
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目标： |
条件变量摧毁 |
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头文件： |
#include < pthread.h> |
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函数原形： |
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond); |
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参数: |
cptr 条件变量 |
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返回值： |
成功返回0，出错返回错误编号。 |
pthread_cond_destroy函数可以用来摧毁所指定的条件变量，同时将会释放所给它分配的资源。调用该函数的进程也并不要求等待在参数所指定的条件变量上。
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名称： |
pthread_cond_wait/pthread_cond_timedwait |
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目标： |
条件变量等待 |
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头文件： |
#include < pthread.h> |
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函数原形： |
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex); int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t mytex,const struct timespec *abstime); |
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参数: |
cond 条件变量 mutex 互斥锁 |
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返回值： |
成功返回0，出错返回错误编号。 |
第一个参数*cond是指向一个条件变量的指针。第二个参数*mutex则是对相关的互斥锁的指针。函数pthread_cond_timedwait函数类型与函数pthread_cond_wait,区别在于，如果达到或是超过所引用的参数*abstime,它将结束并返回错误ETIME.pthread_cond_timedwait函数的参数*abstime指向一个timespec结构。该结构如下：
typedef struct timespec{
time_t tv_sec;
long tv_n***;
}timespec_t;
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名称： |
pthread_cond_signal/pthread_cond_broadcast |
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目标： |
条件变量通知 |
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头文件： |
#include < pthread.h> |
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函数原形： |
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond); int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond); |
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参数: |
cond 条件变量 |
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返回值： |
成功返回0，出错返回错误编号。 |
参数*cond是对类型为pthread_cond_t 的一个条件变量的指针。当调用pthread_cond_signal时一个在相同条件变量上阻塞的线程将被解锁。如果同时有多个线程阻塞，则由调度策略确定接收通知的线程。如果调用pthread_cond_broadcast,则将通知阻塞在这个条件变量上的所有线程。一旦被唤醒，线程仍然会要求互斥锁。如果当前没有线程等待通知，则上面两种调用实际上成为一个空操作。如果参数*cond指向非法地址，则返回值EINVAL。
下面是一个简单的例子，我们可以从程序的运行来了解条件变量的作用。
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#include
sleep(1); } if(i%3!=0) sleep(1); } |
程序创建了2个新线程使他们同步运行，实现进程t_b打印20以内3的倍数，t_a打印其他的数，程序开始线程t_b不满足条件等待，线程t_a运行使a循环加1并打印。直到i为3的倍数时，线程t_a发送信号通知进程t_b，这时t_b满足条件，打印i值。
下面是运行结果：
#cc –lpthread –o cond cond.c
#./cond
thread1:1
thread1:2
thread2:3
thread1:4
thread1:5
thread2:6
thread1:7
thread1:8
thread2:9
下面的程序是经典的生产者/消费者的例证。
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#include
#include
#include
#define MAX 5
pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; /*初始化互斥锁*/ pthread_cond_t=PTHREAD_CODE_INITIALIZER; /*初始化条件变量*/
typedef struct{ char buffer[MAX]; int how_many; }BUFFER;
BUFFER share={“”,0}; char ch=’A’;/*初始化ch*/
void *read_some(void *); void *write_some(void *);
int main(void) { pthread_t t_read; pthread_t t_write;
pthread_create(&t_read,NULL,read_some,(void *)NULL); /*创建进程t_a*/ pthread_create(&t_write,NULL,write_some,(void *)NULL); /*创建进程t_b*/ pthread_join(t_write,(void **)NULL); pthread_mutex_destroy(&mutex); pthread_cond_destroy(&cond); exit(0); }
void *read_some(void *junk) { int n=0;
printf(“R %2d: starting\n”,pthread_self());
while(ch!=’Z’) { pthread_mutex_lock(&lock_it);/*锁住互斥量*/ if(share.how_many!=MAX) {
share.buffer[share.how_many++]=ch++;/*把字母读入缓存*/ printf(“R %2d:Got char[%c]\n”,pthread_self(),ch-1);/*打印读入字母*/ if(share.how_many==MAX) { printf(“R %2d:signaling full\n”,pthread_self()); pthread_cond_signal(&write_it);/*如果缓存中的字母到达了最大值就发送信号*/ } pthread_mutex_unlock(&lock_it);/*解锁互斥量*/ } sleep(1); printf(“R %2d:Exiting\n”,pthread_self()); return NULL; }
void *write_some(void *junk) { int i; int n=0; printf(“w %2d: starting\n”,pthread_self());
while(ch!=’Z’) { pthread_mutex_lock(&lock_it);/*锁住互斥量*/ printf(“\nW %2d:Waiting\n”,pthread_self()); while(share.how_many!=MAX)/*如果缓存区字母不等于最大值就等待*/ pthread_cond_wait(&write_it,&lock_it); printf(“W %2d:writing buffer\n”,pthread_self()); for(i=0;share.buffer[i]&&share.how_many;++i,share.how_many--) putchar(share.buffer[i]); /*循环输出缓存区字母*/ pthread_mutex_unlock(&lock_it);/*解锁互斥量*/ } printf(“W %2d:exiting\n”,pthread_self()); return NULL; } |
程序每读入5个字母，打印一遍，并清空缓存区，循环执行直到Y为止。
程序运行结果如下：
#cc –lpthread –o readandwrite readandwrite.c
#./readandwrire
R 1082330304: stareing
W 1090718784:string
W 1090718784:Waiting
R 1082330304:Got char[A]
R 1082330304:Got char[B]
R 1082330304:Got char[C]
R 1082330304:Got char[D]
R 1082330304:Got char[E]
R 1082330304:signaling full
W 1090718784:wring buffer
ABCDE
W 1090718784:Waiting
R 1082330304:Got char[F]
…………………………
三、条件变量属性
使用条件变量之前要先进行初始化。可以像我们前面那样可静态初始化pthread_cond_t my_condition=PTHREAD_COND_INITIALIZER;也可以利用函数pthread_cond_init动态初始化。条件变量属性类型为pthread_condattr_t，它们由以下函数初始化或摧毁。
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名称:： |
pthread_condattr_init/pthread_condattr_destroy |
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功能： |
初始化/回收pthread_condattr_t结构 |
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头文件： |
#include |
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函数原形： |
int pthread_condattr_init(pthread_condattr_t *attr); int pthread_condattr_destroy(pthread_condattr_t *attr); |
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参数： |
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返回值： |
若成功返回0，若失败返回错误编号。 |
一旦某个条件变量对象被初始化了，我们就可以利用下面函数来查看或修改特定属性了。
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名称:： |
pthread_condattr_getpshared/pthread_condattr_setpshared |
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功能： |
查看或修改条件变量属性 |
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头文件： |
#include |
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函数原形： |
int pthread_condattr_init(const pthread_condattr_t *restrict attr); int pthread_condattr_destroy(pthread_rwlockattr_t *attr,int pshared); |
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参数： |
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返回值： |
若成功返回0，若失败返回错误编号。 |
pthread_condattr_getpshared函数在由valptr指向的整数中返回这个属性的当前值，pthread_condattr_setpshared则根据value的值设置这个属性的当前值。value的值可以是PTHREAD_PROCESS_PRIVATE或PTHREAD_PROCESS_SHARED(进程间共享).
四、条件变量与互斥锁、信号量的区别
到这里，我们把posix的互斥锁、信号量、条件变量都介绍完了，下面我们来比较一下他们。
1.互斥锁必须总是由给它上锁的线程解锁，信号量的挂出即不必由执行过它的等待操作的同一进程执行。一个线程可以等待某个给定信号灯，而另一个线程可以挂出该信号灯。
2.互斥锁要么锁住，要么被解开（二值状态，类型二值信号量）。
3.由于信号量有一个与之关联的状态（它的计数值），信号量挂出操作总是被记住。然而当向一个条件变量发送信号时，如果没有线程等待在该条件变量上，那么该信号将丢失。
4.互斥锁是为了上锁而优化的，条件变量是为了等待而优化的，信号灯即可用于上锁，也可用于等待，因而可能导致更多的开销和更高的复杂性。
