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分类: LINUX

原文地址:Linux多线程同步的几种方式 作者:snowboy9859

    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。

1)互斥锁(mutex

    通过锁机制实现线程间的同步。同一时刻只允许一个线程执行一个关键部分的代码。

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,const pthread_mutex_attr_t *mutexattr);

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex *mutex);

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex *mutex);

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex *

(1)先初始化锁init()或静态赋值pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIER

attr_t有:

PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP:其余线程等待队列

PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP:嵌套锁,允许线程多次加锁,不同线程,解锁后重新竞争

PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP:检错,与一同,线程请求已用锁,返回EDEADLK;

PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP:适应锁,解锁后重新竞争

(2)加锁,lock,trylock,lock阻塞等待锁,trylock立即返回EBUSY

(3)解锁,unlock需满足是加锁状态,且由加锁线程解锁

(4)清除锁,destroy(此时锁必需unlock,否则返回EBUSY,//Linux下互斥锁不占用内存资源

示例代码

 

  1. #include <cstdio>

  2. #include <cstdlib>

  3. #include <unistd.h>

  4. #include <pthread.h>

  5. #include "iostream"

  6.    

  7. using namespace std;

  8.    

  9. pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

  10. int tmp;

  11.    

  12. void* thread(void *arg)

  13. {

  14.     cout << "thread id is " << pthread_self() << endl;

  15.     pthread_mutex_lock(&mutex);

  16.     tmp = 12;

  17.     cout << "Now a is " << tmp << endl;

  18.     pthread_mutex_unlock(&mutex);

  19.     return NULL;

  20. }

  21.    

  22. int main()

  23. {

  24.     pthread_t id;

  25.     cout << "main thread id is " << pthread_self() << endl;

  26.     tmp = 3;

  27.     cout << "In main func tmp = " << tmp << endl;

  28.     if (!pthread_create(&id, NULL, thread, NULL))

  29.     {

  30.         cout << "Create thread success!" << endl;

  31.     }

  32.     else

  33.     {

  34.         cout << "Create thread failed!" << endl;

  35.     }

  36.     pthread_join(id, NULL);

  37.     pthread_mutex_destroy(&mutex);

  38.     return 0;

  39. }

编译: g++ -o thread testthread.cpp -lpthread

说明:pthread库不是Linux系统默认的库,连接时需要使用静态库libpthread.a,所以在使用pthread_create()创建线程,以及调用pthread_atfork()函数建立fork处理程序时,需要链接该库。在编译中要加 -lpthread参数。

 

2)条件变量(cond

    利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制。条件变量上的基本操作有:触发条件(当条件变为 true );等待条件,挂起线程直到其他线程触发条件。

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond,pthread_condattr_t *cond_attr);   

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);

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

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

(1)初始化.init()或者pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIER(前者为动态初始化,后者为静态初始化);属性置为NULL

(2)等待条件成立.pthread_wait,pthread_timewait.wait()释放锁,并阻塞等待条件变量为真,timewait()设置等待时间,仍未signal,返回ETIMEOUT(加锁保证只有一个线程wait)

(3)激活条件变量:pthread_cond_signal,pthread_cond_broadcast(激活所有等待线程)

(4)清除条件变量:destroy;无线程等待,否则返回EBUSY

对于

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *abstime);

一定要在mutex的锁定区域内使用

    如果要正确的使用pthread_mutex_lockpthread_mutex_unlock,请参考

pthread_cleanup_push和pthread_cleanup_pop宏,它能够在线程被cancel的时候正确的释放mutex

    另外,posix1标准说,pthread_cond_signalpthread_cond_broadcast无需考虑调用线程是否是mutex的拥有者,也就是说,可以在lockunlock以外的区域调用。如果我们对调用行为不关心,那么请在lock区域之外调用吧。

说明:

    (1)pthread_cond_wait 自动解锁互斥量(如同执行了pthread_unlock_mutex),并等待条件变量触发。这时线程挂起,不占用CPU时间,直到条件变量被触发(变量为ture)。在调用 pthread_cond_wait之前,应用程序必须加锁互斥量。pthread_cond_wait函数返回前,自动重新对互斥量加锁(如同执行了pthread_lock_mutex)

    (2)互斥量的解锁和在条件变量上挂起都是自动进行的。因此,在条件变量被触发前,如果所有的线程都要对互斥量加锁,这种机制可保证在线程加锁互斥量和进入等待条件变量期间,条件变量不被触发。条件变量要和互斥量相联结,以避免出现条件竞争——个线程预备等待一个条件变量,当它在真正进入等待之前,另一个线程恰好触发了该条件(条件满足信号有可能在测试条件和调用pthread_cond_wait函数(block)之间被发出,从而造成无限制的等待)。

(3)pthread_cond_timedwait 和 pthread_cond_wait 一样,自动解锁互斥量及等待条件变量,但它还限定了等待时间。如果在abstime指定的时间内cond未触发,互斥量mutex被重新加锁,且pthread_cond_timedwait返回错误 ETIMEDOUTabstime 参数指定一个绝对时间,时间原点与 time gettimeofday 相同:abstime = 0 表示 19701100:00:00 GMT

(4)pthread_cond_destroy 销毁一个条件变量,释放它拥有的资源。进入 pthread_cond_destroy 之前,必须没有在该条件变量上等待的线程。

    (5)条件变量函数不是异步信号安全的,不应当在信号处理程序中进行调用。特别要注意,如果在信号处理程序中调用 pthread_cond_signal pthread_cond_boardcast 函数,可能导致调用线程死锁。

示例程序1

 

  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. }

示例程序2:

  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;

  12. /*[thread_func]*/
  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/*block-->unlock-->wait() return-->lock*/
  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.      
  70.      //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
  71.      //线程,而在我们的代码里,最近的取消点肯定就是pthread_cond_wait()了。
  72.      pthread_cancel(tid);
  73.      pthread_join(tid, NULL);
  74.      printf("All done -- exiting/n");
  75.      return 0;
  76. }

3)信号量

    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。

#include

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

两个原子操作函数:

int sem_wait(sem_t *sem);

int sem_post(sem_t *sem);

    这两个函数都要用一个由sem_init调用初始化的信号量对象的指针做参数。

sem_post:给信号量的值加1

sem_wait:给信号量减1;对一个值为0的信号量调用sem_wait,这个函数将会等待直到有其它线程使它不再是0为止。

int sem_destroy(sem_t *sem);

    这个函数的作用是再我们用完信号量后都它进行清理。归还自己占有的一切资源。

 

示例代码:

 

  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.     
  8. #define return_if_fail(p) if((p) == 0){printf ("[%s]:func error!/n", __func__);return;}
  9.     
  10. typedef struct _PrivInfo
  11. {
  12.   sem_t s1;
  13.   sem_t s2;
  14.   time_t end_time;
  15. }PrivInfo;
  16.     
  17. static void info_init (PrivInfo* thiz);
  18. static void info_destroy (PrivInfo* thiz);
  19. static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz);
  20. static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz);
  21.     
  22. int main (int argc, char** argv)
  23. {
  24.   pthread_t pt_1 = 0;
  25.   pthread_t pt_2 = 0;
  26.   int ret = 0;
  27.   PrivInfo* thiz = NULL;
  28.       
  29.   thiz = (PrivInfo* )malloc (sizeof (PrivInfo));
  30.   if (thiz == NULL)
  31.   {
  32.     printf ("[%s]: Failed to malloc priv./n");
  33.     return -1;
  34.   }
  35.     
  36.   info_init (thiz);
  37.     
  38.   ret = pthread_create (&pt_1, NULL, (void*)pthread_func_1, thiz);
  39.   if (ret != 0)
  40.   {
  41.     perror ("pthread_1_create:");
  42.   }
  43.     
  44.   ret = pthread_create (&pt_2, NULL, (void*)pthread_func_2, thiz);
  45.   if (ret != 0)
  46.   {
  47.      perror ("pthread_2_create:");
  48.   }
  49.     
  50.   pthread_join (pt_1, NULL);
  51.   pthread_join (pt_2, NULL);
  52.     
  53.   info_destroy (thiz);
  54.       
  55.   return 0;
  56. }
  57.     
  58. static void info_init (PrivInfo* thiz)
  59. {
  60.   return_if_fail (thiz != NULL);
  61.     
  62.   thiz->end_time = time(NULL) + 10;
  63.       
  64.   sem_init (&thiz->s1, 0, 1);
  65.   sem_init (&thiz->s2, 0, 0);
  66.     
  67.   return;
  68. }
  69.     
  70. static void info_destroy (PrivInfo* thiz)
  71. {
  72.   return_if_fail (thiz != NULL);
  73.     
  74.   sem_destroy (&thiz->s1);
  75.   sem_destroy (&thiz->s2);
  76.     
  77.   free (thiz);
  78.   thiz = NULL;
  79.     
  80.   return;
  81. }
  82.     
  83. static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz)
  84. {
  85.   return_if_fail (thiz != NULL);
  86.     
  87.   while (time(NULL) < thiz->end_time)
  88.   {
  89.     sem_wait (&thiz->s2);
  90.     printf ("pthread1: pthread1 get the lock./n");
  91.     
  92.     sem_post (&thiz->s1);
  93.     printf ("pthread1: pthread1 unlock/n");
  94.     
  95.     sleep (1);
  96.   }
  97.     
  98.   return;
  99. }
  100.     
  101. static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz)
  102. {
  103.   return_if_fail (thiz != NULL);
  104.     
  105.   while (time (NULL) < thiz->end_time)
  106.   {
  107.     sem_wait (&thiz->s1);
  108.     printf ("pthread2: pthread2 get the unlock./n");
  109.     
  110.     sem_post (&thiz->s2);
  111.     printf ("pthread2: pthread2 unlock./n");
  112.     
  113.     sleep (1);
  114.   }
  115.     
  116.   return;
  117. }

通过执行结果后,可以看出,会先执行线程二的函数,然后再执行线程一的函数。它们两就实现了同步。在上大学的时候,虽然对这些概念知道,可都没有实践过,所以有时候时间一久就会模糊甚至忘记,到了工作如果还保持这么一种状态,那就太可怕了。虽然现在外面的技术在不断的变化更新,可是不管怎么变,其核心技术还是依旧的,所以我们必须要打好自己的基础,再学习其他新的知识,那时候再学新的知识也会觉得比较简单的。信号量代码摘自http://blog.csdn.net/wtz1985/article/details/3835781

参考:

1http://www.cnblogs.com/feisky/archive/2009/11/12/1601824.html

2http://www.cnblogs.com/mydomain/archive/2011/07/10/2102147.html

3】 线程函数介绍

http://www.unix.org/version2/whatsnew/threadsref.html

4http://www.yolinux.com/TUTORIALS/LinuxTutorialPosixThreads.html

5】 线程常用函数简介

http://www.rosoo.net/a/201004/8954.html

6】 条件变量

http://blog.csdn.net/hiflower/article/details/2195350

7】条件变量函数说明

http://blog.csdn.net/hairetz/article/details/4535920

 

本文来自博文:

http://www.cnblogs.com/mydomain/archive/2011/08/14/2138455.html

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