linux下多线程同步的方式.docx

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）锁机制是同一时刻只允许一个线程执行一个关键部分的代码。1. 初始化锁int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,const pthread_mutex_attr_t *mutexattr); 其中参数 mutexattr 用于指定锁的属性（见下），如果为NULL则使用缺省属性。 互斥锁的属性在创建锁的时候指定，在LinuxThreads实现中仅有一个锁类型属性，不同的锁类型在试图对一个已经被锁定的互斥锁加锁时表现不同。当前有四个值可供选择： （1）PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP，这是缺省值，也就是普通锁。当一个线程加锁以后，其余请求锁的线程将形成一个等待队列，并在解锁后按优先级获得锁。这种锁策略保证了资源分配的公平性。 （2）PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP，嵌套锁，允许同一个线程对同一个锁成功获得多次，并通过多次unlock解锁。如果是不同线程请求，则在加锁线程解锁时重新竞争。 （3）PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP，检错锁，如果同一个线程请求同一个锁，则返回EDEADLK，否则与PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP类型动作相同。这样就保证当不允许多次加锁时不会出现最简单情况下的死锁。 （4）PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP，适应锁，动作最简单的锁类型，仅等待解锁后重新竞争。2. 阻塞加锁int pthread_mutex_lock(pthread_mutex *mutex);3. 非阻塞加锁 int pthread_mutex_trylock( pthread_mutex_t *mutex); 该函数语义与 pthread_mutex_lock() 类似，不同的是在锁已经被占据时返回 EBUSY 而不是挂起等待。4. 解锁（要求锁是lock状态,并且由加锁线程解锁）int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex *mutex);5. 销毁锁（此时锁必需unlock状态,否则返回EBUSY）int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex *mutex);示例代码：oraclelocalhost$ cat mutextest.c#include #include #include #include pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;int gn;void* thread(void *arg) printf(threads ID is %dn,pthread_self(); pthread_mutex_lock(&mutex); gn = 12; printf(Now gn = %dn,gn); pthread_mutex_unlock(&mutex); return NULL;int main() pthread_t id; printf(main threads ID is %dn,pthread_self(); gn = 3; printf(In main func, gn = %dn,gn); if (!pthread_create(&id, NULL, thread, NULL) printf(Create thread success!n); else printf(Create thread failed!n); pthread_join(id, NULL); pthread_mutex_destroy(&mutex); return 0;oraclelocalhost$二、条件变量（cond）条件变量是利用线程间共享全局变量进行同步的一种机制。条件变量上的基本操作有：触发条件(当条件变为 true 时)；等待条件，挂起线程直到其他线程触发条件。 1. 初始化条件变量 int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond,pthread_condattr_t *cond_attr); 尽管POSIX标准中为条件变量定义了属性，但在Linux中没有实现，因此cond_attr值通常为NULL，且被忽略。 2. 有两个等待函数 （1）无条件等待 int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex); （2）计时等待 int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex *mutex,const timespec *abstime); 如果在给定时刻前条件没有满足，则返回ETIMEOUT，结束等待，其中abstime以与time()系统调用相同意义的绝对时间形式出现，0表示格林尼治时间1970年1月1日0时0分0秒。 无论哪种等待方式，都必须和一个互斥锁配合，以防止多个线程同时请求（用 pthread_cond_wait() 或 pthread_cond_timedwait() 请求）竞争条件（Race Condition）。mutex互斥锁必须是普通锁（PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP）或者适应锁（PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP），且在调用pthread_cond_wait()前必须由本线程加锁（pthread_mutex_lock()），而在更新条件等待队列以前，mutex保持锁定状态，并在线程挂起进入等待前解锁。在条件满足从而离开pthread_cond_wait()之前，mutex将被重新加锁，以与进入pthread_cond_wait()前的加锁动作对应。 3. 激发条件 （1）激活一个等待该条件的线程（存在多个等待线程时按入队顺序激活其中一个） int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond); （2）激活所有等待线程 int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond); 4. 销毁条件变量 int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond); 只有在没有线程在该条件变量上等待的时候才能销毁这个条件变量，否则返回EBUSY说明：1. pthread_cond_wait 自动解锁互斥量(如同执行了pthread_unlock_mutex)，并等待条件变量触发。这时线程挂起，不占用CPU时间，直到条件变量被触发（变量为ture）。在调用 pthread_cond_wait之前，应用程序必须加锁互斥量。pthread_cond_wait函数返回前，自动重新对互斥量加锁(如同执行了pthread_lock_mutex)。2. 互斥量的解锁和在条件变量上挂起都是自动进行的。因此，在条件变量被触发前，如果所有的线程都要对互斥量加锁，这种机制可保证在线程加锁互斥量和进入等待条件变量期间，条件变量不被触发。条件变量要和互斥量相联结，以避免出现条件竞争个线程预备等待一个条件变量，当它在真正进入等待之前，另一个线程恰好触发了该条件（条件满足信号有可能在测试条件和调用pthread_cond_wait函数（block）之间被发出，从而造成无限制的等待）。3. 条件变量函数不是异步信号安全的，不应当在信号处理程序中进行调用。特别要注意，如果在信号处理程序中调用 pthread_cond_signal 或 pthread_cond_boardcast 函数，可能导致调用线程死锁示例代码1：oraclelocalhost$ cat condtest1.c#include #include #include stdlib.h#include unistd.hpthread_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 runningn); pthread_mutex_lock(&mutex); pthread_cond_wait(&cond,&mutex); printf(thread1 applied the conditionn); pthread_mutex_unlock(&mutex); sleep(4); pthread_cleanup_pop(0);void *thread2(void *arg) while(1) printf(thread2 is runningn); pthread_mutex_lock(&mutex); pthread_cond_wait(&cond,&mutex); printf(thread2 applied the conditionn); 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;oraclelocalhost$示例代码2：oraclelocalhost$ cat condtest2.c#include #include #include stdio.h#include stdlib.hstatic 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 queuen, 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 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 - exitingn); return 0;oraclelocalhost$可以看出，等待条件变量信号的用法约定一般是这样的：.pthread_mutex_lock(&mutex);.pthread_cond_wait (&cond, &mutex);.pthread_mutex_unlock (&mutex);.相信很多人都会有这个疑问：为什么pthread_cond_wait需要的互斥锁不在函数内部定义，而要使用户定义的呢？现在没有时间研究 pthread_cond_wait 的源代码，带着这个问题对条件变量的用法做如下猜测，希望明白真相看过源代码的朋友不吝指正。1. pthread_cond_wait 和 pthread_cond_timewait 函数为什么需要互斥锁？因为：条件变量是线程同步的一种方法，这两个函数又是等待信号的函数，函数内部一定有须要同步保护的数据。2. 使用用户定义的互斥锁而不在函数内部定义的原因是：无法确定会有多少用户使用条件变量，所以每个互斥锁都须要动态定义，而且管理大量互斥锁的开销太大，使用用户定义的即灵活又方便，符合UNIX哲学的编程风格（随便推荐阅读UNIX编程哲学这本好书！）。3. 好了，说完了1和2，我们来自由猜测一下 pthread_cond_wait 函数的内部结构吧： int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex) if（没有条件信号） （1）pthread_mutex_unlock (mutex); / 因为用户在函数外面已经加锁了（这是使用约定），但是在没有信号的情况下为了让其他线程也能等待cond，必须解锁。 （2） 阻塞当前线程，等待条件信号（当然应该是类似于中断触发的方式等待，而不是软件轮询的方式等待）. 有信号就继续执行后面。 （3） pthread_mutex_lock (mutex); / 因为用户在函数外面要解锁（这也是使用约定），所以要与1呼应加锁，保证用户感觉依然是自己加锁、自己解锁。 . 三、 信号量如同进程一样，线程也可以通过信号量来实现通信，虽然是轻量级的。 线程使用的基本信号量函数有四个：#include 1. 初始化信号量 int sem_init (sem_t *sem , int pshared, unsigned int value); 参数： sem - 指定要初始化的信号量； pshared - 信号量 sem 的共享选项，linux只支持0，表示它是当前进程的局部信号量； value - 信号量 sem 的初始值。 2. 信号量值加1 给参数sem指定的信号量值加1。 int sem_post(sem_t *sem); 3. 信号量值减1 给参数sem指定的信号量值减1。 int sem_wait(sem_t *sem); 如果sem所指的信号量的数值为0，函数将会等待直到有其它线程使它不再是0为止。 4. 销毁信号量 销毁指定的信号量。int sem_destroy(sem_t *sem);示例代码：oraclelocalhost$ cat semtest.c#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* prifo);static void info_destroy (PrivInfo* prifo);static void* pthread_func_1 (PrivInfo* prifo);static void* pthread_func_2 (PrivInfo* prifo);int main (int argc, char* argv) pthread_t pt_1 = 0; pthread_t pt_2 = 0; int ret = 0; PrivInfo* prifo = NULL; prifo = (PrivInfo* )malloc (sizeof (PrivInfo); if (prifo = NULL) printf (%s: Failed to malloc priv.n); return -1; info_init (prifo); ret = pthread_create (&pt_1, NULL, (void*)pthread_func_1, prifo); if (ret != 0) perror (pthread_1_create:); ret = pthread_create (&pt_2, NULL, (void*)pthread_func_2, prifo); if (ret != 0) perror (pthread_2_create:); pthread_join (pt_1, NULL); pthread_join (pt_2, NULL); info_