Linux 线程同步的三种方法

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);
   

#include
#include
#include
#include
#include "iostream"
using namespace std;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int tmp;
void* thread(void *arg)
{
    cout << "thread id is " << pthread_self() << endl;
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    tmp = 12;
    cout << "Now a is " << tmp << endl;
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}
int main()
{
    pthread_t id;
    cout << "main thread id is " << pthread_self() << endl;
    tmp = 3;
    cout << "In main func tmp = " << tmp << endl;
    if (!pthread_create(&id, NULL, thread, NULL))
    {
        cout << "Create thread success!" << endl;
    }
    else
    {
        cout << "Create thread failed!" << endl;
    }
    pthread_join(id, NULL);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    return 0;
}
//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);
   

#include
#include
#include "stdlib.h"
#include "unistd.h"
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;
void hander(void *arg)
{
    free(arg);
    (void)pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
void *thread1(void *arg)
{
    pthread_cleanup_push(hander, &mutex);
    while(1)
    {
        printf("thread1 is running\n");
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
        printf("thread1 applied the condition\n");
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(4);
    }
    pthread_cleanup_pop(0);
}
void *thread2(void *arg)
{
    while(1)
    {
        printf("thread2 is running\n");
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
        printf("thread2 applied the condition\n");
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(1);
    }
}
int main()
{
    pthread_t thid1,thid2;
    printf("condition variable study!\n");
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    pthread_cond_init(&cond, NULL);
    pthread_create(&thid1, NULL, thread1, NULL);
    pthread_create(&thid2, NULL, thread2, NULL);
    sleep(1);
    do
    {
        pthread_cond_signal(&cond);
    }while(1);
    sleep(20);
    pthread_exit(0);
    return 0;
}

#include
#include
#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
static pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
static pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
struct node
{
    int n_number;
    struct node *n_next;
}*head = NULL;

static void cleanup_handler(void *arg)
{
    printf("Cleanup handler of second thread./n");
    free(arg);
    (void)pthread_mutex_unlock(&mtx);
}
static void *thread_func(void *arg)
{
    struct node *p = NULL;
    pthread_cleanup_push(cleanup_handler, p);
    while (1)
    {
        //这个mutex主要是用来保证pthread_cond_wait的并发性
        pthread_mutex_lock(&mtx);
        while (head == NULL)
        {
            //这个while要特别说明一下，单个pthread_cond_wait功能很完善，为何
            //这里要有一个while (head == NULL)呢？因为pthread_cond_wait里的线
            //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。
            //这个时候，应该让线程继续进入pthread_cond_wait
            // pthread_cond_wait会先解除之前的pthread_mutex_lock锁定的mtx，
            //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
            //而被唤醒，唤醒后，该进程会先锁定先pthread_mutex_lock(&mtx);，再读取资源
            //用这个流程是比较清楚的
            pthread_cond_wait(&cond, &mtx);
            p = head;
            head = head->n_next;
            printf("Got %d from front of queue/n", p->n_number);
            free(p);
        }
        pthread_mutex_unlock(&mtx); //临界区数据操作完毕，释放互斥锁
    }
    pthread_cleanup_pop(0);
    return 0;
}
int main(void)
{
    pthread_t tid;
    int i;
    struct node *p;
    //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
    //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
    pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
    sleep(1);
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        p = (struct node*)malloc(sizeof(struct node));
        p->n_number = i;
        pthread_mutex_lock(&mtx); //需要操作head这个临界资源，先加锁，
        p->n_next = head;
        head = p;
        pthread_cond_signal(&cond);
        pthread_mutex_unlock(&mtx); //解锁
        sleep(1);
    }
    printf("thread 1 wanna end the line.So cancel thread 2./n");
    //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
    //线程，而在我们的代码里，最近的取消点肯定就是pthread_cond_wait()了。
    pthread_cancel(tid);
    pthread_join(tid, NULL);
    printf("All done -- exiting/n");
    return 0;
}

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);
   

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define return_if_fail(p) if((p) == 0){printf ("[%s]:func error!/n", __func__);return;}
typedef struct _PrivInfo
{
    sem_t s1;
    sem_t s2;
    time_t end_time;
}PrivInfo;

static void info_init (PrivInfo* thiz);
static void info_destroy (PrivInfo* thiz);
static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz);
static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz);

int main (int argc, char** argv)
{
    pthread_t pt_1 = 0;
    pthread_t pt_2 = 0;
    int ret = 0;
    PrivInfo* thiz = NULL;
    thiz = (PrivInfo* )malloc (sizeof (PrivInfo));
    if (thiz == NULL)
    {
        printf ("[%s]: Failed to malloc priv./n");
        return -1;
    }
    info_init (thiz);
    ret = pthread_create (&pt_1, NULL, (void*)pthread_func_1, thiz);
    if (ret != 0)
    {
        perror ("pthread_1_create:");
    }
    ret = pthread_create (&pt_2, NULL, (void*)pthread_func_2, thiz);
    if (ret != 0)
    {
        perror ("pthread_2_create:");
    }
    pthread_join (pt_1, NULL);
    pthread_join (pt_2, NULL);
    info_destroy (thiz);
    return 0;
}
static void info_init (PrivInfo* thiz)
{
    return_if_fail (thiz != NULL);
    thiz->end_time = time(NULL) + 10;
    sem_init (&thiz->s1, 0, 1);
    sem_init (&thiz->s2, 0, 0);
    return;
}
static void info_destroy (PrivInfo* thiz)
{
    return_if_fail (thiz != NULL);
    sem_destroy (&thiz->s1);
    sem_destroy (&thiz->s2);
    free (thiz);
    thiz = NULL;
    return;
}
static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz)
{
    return_if_fail(thiz != NULL);
    while (time(NULL) < thiz->end_time)
    {
        sem_wait (&thiz->s2);
        printf ("pthread1: pthread1 get the lock./n");
        sem_post (&thiz->s1);
        printf ("pthread1: pthread1 unlock/n");
        sleep (1);
    }
    return;
}
static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz)
{
    return_if_fail (thiz != NULL);
    while (time (NULL) < thiz->end_time)
    {
        sem_wait (&thiz->s1);
        printf ("pthread2: pthread2 get the unlock./n");
        sem_post (&thiz->s2);
        printf ("pthread2: pthread2 unlock./n");
        sleep (1);
    }
    return;
}

四、异步信号

   由于LinuxThreads是在核外使用核内轻量级进程实现的线程，所以基于内核的异步信号操作对于线程也是有效的。但同时，由于异步信号总是实际发往某个进程，所以无法实现POSIX标准所要求的"信号到达某个进程，然后再由该进程将信号分发到所有没有阻塞该信号的线程中"原语，而是只能影响到其中一个线程。

   POSIX异步信号同时也是一个标准C库提供的功能，主要包括信号集管理（sigemptyset()、sigfillset()、sigaddset()、sigdelset()、sigismember()等）、信号处理函数安装（sigaction()）、信号阻塞控制（sigprocmask()）、被阻塞信号查询（sigpending()）、信号等待(sigsuspend())等，它们与发送信号的kill()等函数配合就能实现进程间异步信号功能。LinuxThreads围绕线程封装了sigaction()何raise()，本节集中讨论LinuxThreads中扩展的异步信号函数，包括pthread_sigmask()、pthread_kill()和sigwait()三个函数。毫无疑问，所有POSIX异步信号函数对于线程都是可用的。

int pthread_sigmask(int how, const sigset_t *newmask, sigset_t *oldmask)
设置线程的信号屏蔽码，语义与sigprocmask()相同，但对不允许屏蔽的Cancel信号和不允许响应的Restart信号进行了保护。被屏蔽的信号保存在信号队列中，可由sigpending()函数取出。

int pthread_kill(pthread_t thread, int signo)
向thread号线程发送signo信号。实现中在通过thread线程号定位到对应进程号以后使用kill()系统调用完成发送。

int sigwait(const sigset_t *set, int *sig)
挂起线程，等待set中指定的信号之一到达，并将到达的信号存入*sig中。POSIX标准建议在调用sigwait()等待信号以前，进程中所有线程都应屏蔽该信号，以保证仅有sigwait()的调用者获得该信号，因此，对于需要等待同步的异步信号，总是应该在创建任何线程以前调用pthread_sigmask()屏蔽该信号的处理。而且，调用sigwait()期间，原来附接在该信号上的信号处理函数不会被调用。

如果在等待期间接收到Cancel信号，则立即退出等待，也就是说sigwait()被实现为取消点。

 

五、其他同步方式

   除了上述讨论的同步方式以外，其他很多进程间通信手段对于LinuxThreads也是可用的，比如基于文件系统的IPC（管道、Unix域Socket等）、消息队列（Sys.V或者Posix的）、System V的信号灯等。只有一点需要注意，LinuxThreads在核内是作为共享存储区、共享文件系统属性、共享信号处理、共享文件描述符的独立进程看待的。

六、条件变量与互斥锁、信号量的区别

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设计的，条件变量是为了等待而设计的，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。

 

linux进程间的同步方法

2013-08-05 23:19 938人阅读 评论(0) 收藏 举报

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Linux（14） 

进程间通讯(IPC)方法主要有以下几种：   
    管道/FIFO/共享内存/消息队列/信号   

1.管道中还有命名管道和非命名管道(即匿名管道)之分，非命名管道(即匿名管道)只能用于父子进程通讯，命名管道可用于非父子进程，命名管道就是FIFO，管道是先进先出的通讯方式    

2.消息队列是用于两个进程之间的通讯，首先在一个进程中创建一个消息队列，然后再往消息队列中写数据，而另一个进程则从那个消息队列中取数据。需要注意的是，消息队列是用创建文件的方式建立的，如果一个进程向某个消息队列中写入了数据之后，另一个进程并没有取出数据，即使向消息队列中写数据的进程已经结束，保存在消息队列中的数据并没有消失，也就是说下次再从这个消息队列读数据的时候，就是上次的数据！！！！    

3.信号量，它与WINDOWS下的信号量是一样的，所以就不用多说了    

4.共享内存，类似于WINDOWS下的DLL中的共享变量，但LINUX下的共享内存区不需要像DLL这样的东西，只要首先创建一个共享内存区，其它进程按照一定的步骤就能访问到这个共享内存区中的数据，当然可读可写      

以上几种方式的比较：    

1.管道：速度慢，容量有限，只有父子进程能通讯    

2.FIFO：任何进程间都能通讯，但速度慢    

3.消息队列：容量受到系统限制，且要注意第一次读的时候，要考虑上一次没有读完数据的问题    

4.信号量：不能传递复杂消息，只能用来同步    

5.共享内存区：能够很容易控制容量，速度快，但要保持同步，比如一个进程在写的时候，另一个进程要注意读写的问题，相当于线程中的线程安全，当然，共享内存区同样可以用作线程间通讯，不过没这个必要，线程间本来就已经共享了同一进程内的一块内存

Linux系统上运行有多个进程，其中许多都是独立运行。然而，有些进程必须相互合作以达成预期目的，因此彼此间需要通信和同步机制。

读写磁盘文件中的信息是进程间通信的方法之一。可是，对许多程序来说，这种方法既慢又缺乏灵活性。因此，像所有现代UNIX实现那样，Linux也提供了丰富的进程间通信(IPC)机制，如下所示：

信号(signal)：用来表示事件的发生。

管道和FIFO：用于在进程间传递数据。

套接字：供同一台主机或是联网的不同主机上所运行的进程之间传递数据。

文件锁定：为防止其他进程读取或更新文件内容，允许某进程对文件的部分区域加以锁定。

消息队列：用于在进程间交换信息（数据包）

信号量(semaphore):用来同步进程动作。

共享内存：允许两个及两个以上进程共享一块内存。当某进程改变了共享内存的内容时，其他所有进程会立即了解到这一变化。

UNIX系统的IPC机制种类如此繁多，有些功能还互有重叠，部分原因是由于各种IPC机制是在不同的UNIX实现上演变而来的，需要遵循的标准也各不相同。例如，就本质而言，FIFO和UNIX套接字功能相同，允许同一系统上并无关联的进程彼此交换数据。二者之所以并存于现代UNIX系统之中，是由于FIFO来自System V,而套接字则源于BSD。