Linux多線程同步的幾種方式

線程的最大特點是資源的共享性，但資源共享中的同步問題是多線程編程的難點。linux下提供了多種方式來處理線程同步，最常用的是互斥鎖、條件變量和信號量。

1）互斥鎖（mutex）

    通過鎖機制實現線程間的同步。同一時刻只允許一個線程執行一個關鍵部分的代碼。

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)先初始化鎖init()或靜態賦值pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIER

attr_t有:

PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP:其餘線程等待隊列

PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP:嵌套鎖,允許線程多次加鎖,不同線程,解鎖後重新競爭

PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP:檢錯,與一同,線程請求已用鎖,返回EDEADLK;

PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP:適應鎖,解鎖後重新競爭

(2)加鎖,lock,trylock,lock阻塞等待鎖,trylock立即返回EBUSY

(3)解鎖,unlock需滿足是加鎖狀態,且由加鎖線程解鎖

(4)清除鎖,destroy(此時鎖必需unlock,否則返回EBUSY,//Linux下互斥鎖不佔用內存資源

示例代碼

 

#include <cstdio>

#include <cstdlib>

#include <unistd.h>

#include <pthread.h>

#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;

}

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

說明：pthread庫不是Linux系統默認的庫，連接時需要使用靜態庫libpthread.a，所以在使用pthread_create()創建線程，以及調用pthread_atfork()函數建立fork處理程序時，需要鏈接該庫。在編譯中要加 -lpthread參數。

 

2）條件變量（cond）

    利用線程間共享的全局變量進行同步的一種機制。條件變量上的基本操作有：觸發條件(當條件變爲 true 時)；等待條件，掛起線程直到其他線程觸發條件。

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);  //解除所有線程的阻塞

(1)初始化.init()或者pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIER（前者爲動態初始化，後者爲靜態初始化）;屬性置爲NULL

(2)等待條件成立.pthread_wait,pthread_timewait.wait()釋放鎖,並阻塞等待條件變量爲真，timewait()設置等待時間,仍未signal,返回ETIMEOUT(加鎖保證只有一個線程wait)

(3)激活條件變量:pthread_cond_signal,pthread_cond_broadcast(激活所有等待線程)

(4)清除條件變量:destroy;無線程等待,否則返回EBUSY

對於

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的鎖定區域內使用。

    如果要正確的使用pthread_mutex_lock與pthread_mutex_unlock，請參考

pthread_cleanup_push和pthread_cleanup_pop宏，它能夠在線程被cancel的時候正確的釋放mutex！

    另外，posix1標準說，pthread_cond_signal與pthread_cond_broadcast無需考慮調用線程是否是mutex的擁有者，也就是說，可以在lock與unlock以外的區域調用。如果我們對調用行爲不關心，那麼請在lock區域之外調用吧。

說明：

    (1)pthread_cond_wait 自動解鎖互斥量(如同執行了pthread_unlock_mutex)，並等待條件變量觸發。這時線程掛起，不佔用CPU時間，直到條件變量被觸發（變量爲ture）。在調用 pthread_cond_wait之前，應用程序必須加鎖互斥量。pthread_cond_wait函數返回前，自動重新對互斥量加鎖(如同執行了pthread_lock_mutex)。

    (2)互斥量的解鎖和在條件變量上掛起都是自動進行的。因此，在條件變量被觸發前，如果所有的線程都要對互斥量加鎖，這種機制可保證在線程加鎖互斥量和進入等待條件變量期間，條件變量不被觸發。條件變量要和互斥量相聯結，以避免出現條件競爭——個線程預備等待一個條件變量，當它在真正進入等待之前，另一個線程恰好觸發了該條件（條件滿足信號有可能在測試條件和調用pthread_cond_wait函數（block）之間被髮出，從而造成無限制的等待）。

(3)pthread_cond_timedwait 和 pthread_cond_wait 一樣，自動解鎖互斥量及等待條件變量，但它還限定了等待時間。如果在abstime指定的時間內cond未觸發，互斥量mutex被重新加鎖，且pthread_cond_timedwait返回錯誤 ETIMEDOUT。abstime 參數指定一個絕對時間，時間原點與 time 和gettimeofday 相同：abstime = 0 表示 1970年1月1日00:00:00 GMT。

(4)pthread_cond_destroy 銷燬一個條件變量，釋放它擁有的資源。進入 pthread_cond_destroy 之前，必須沒有在該條件變量上等待的線程。

    (5)條件變量函數不是異步信號安全的，不應當在信號處理程序中進行調用。特別要注意，如果在信號處理程序中調用 pthread_cond_signal 或pthread_cond_boardcast 函數，可能導致調用線程死鎖。

示例程序1

 

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#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;
}

示例程序2：

#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#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;

/*[thread_func]*/
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)
     {
         //這個mutex主要是用來保證pthread_cond_wait的併發性
         pthread_mutex_lock(&mtx);
         while (head == NULL)
         {
         //這個while要特別說明一下，單個pthread_cond_wait功能很完善，爲何
         //這裏要有一個while (head == NULL)呢？因爲pthread_cond_wait裏的線
         //程可能會被意外喚醒，如果這個時候head != NULL，則不是我們想要的情況。
         //這個時候，應該讓線程繼續進入pthread_cond_wait
         // pthread_cond_wait會先解除之前的pthread_mutex_lock鎖定的mtx，
         //然後阻塞在等待對列裏休眠，直到再次被喚醒（大多數情況下是等待的條件成立
         //而被喚醒，喚醒後，該進程會先鎖定先pthread_mutex_lock(&mtx);，再讀取資源
         //用這個流程是比較清楚的/*block-->unlock-->wait() return-->lock*/
         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); //臨界區數據操作完畢，釋放互斥鎖
     }
     pthread_cleanup_pop(0);
     return 0;
}

int main(void)
{
     pthread_t tid;
     int i;
     struct node *p;
     //子線程會一直等待資源，類似生產者和消費者，但是這裏的消費者可以是多個消費者，而
     //不僅僅支持普通的單個消費者，這個模型雖然簡單，但是很強大
     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這個臨界資源，先加鎖，
         p->n_next = head;
         head = p;
         pthread_cond_signal(&cond);
         pthread_mutex_unlock(&mtx); //解鎖
         sleep(1);
     }
     printf("thread 1 wanna end the line.So cancel thread 2./n");

     //關於pthread_cancel，有一點額外的說明，它是從外部終止子線程，子線程會在最近的取消點，退出
     //線程，而在我們的代碼裏，最近的取消點肯定就是pthread_cond_wait()了。
     pthread_cancel(tid);
     pthread_join(tid, NULL);
     printf("All done -- exiting/n");
     return 0;
}

3）信號量

    如同進程一樣，線程也可以通過信號量來實現通信，雖然是輕量級的。

    信號量函數的名字都以"sem_"打頭。線程使用的基本信號量函數有四個。

#include <semaphore.h>

int sem_init (sem_t *sem , int pshared, unsigned int value);

    這是對由sem指定的信號量進行初始化，設置好它的共享選項（linux 只支持爲0，即表示它是當前進程的局部信號量），然後給它一個初始值VALUE。

兩個原子操作函數：

int sem_wait(sem_t *sem);

int sem_post(sem_t *sem);

    這兩個函數都要用一個由sem_init調用初始化的信號量對象的指針做參數。

sem_post：給信號量的值加1；

sem_wait:給信號量減1；對一個值爲0的信號量調用sem_wait,這個函數將會等待直到有其它線程使它不再是0爲止。

int sem_destroy(sem_t *sem);

    這個函數的作用是再我們用完信號量後都它進行清理。歸還自己佔有的一切資源。

 

示例代碼：

 

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <errno.h>

#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;
}