Linux 条件变量深入解析与最佳实践

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分类专栏： Linux 系统编程实战笔记 文章标签： linux
于 2021-11-20 14:53:12 首次发布
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本文介绍Linux下条件变量和互斥锁的基本概念及使用方法。条件变量用于线程间同步，配合互斥锁使用，使线程能阻塞等待特定条件满足。互斥锁确保同一时刻只有一个线程访问临界区。

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Linux 条件变量深入解析与最佳实践

文章目录

一、为什么需要条件变量

1.1 从互斥锁说起

在多线程编程中，互斥锁（Mutex）用于保护共享资源，确保同一时刻只有一个线程可以访问临界区。但在某些场景下，仅使用互斥锁是不够的。

1.2 互斥锁的局限性

考虑一个生产者-消费者场景：

  • 队列为空时，消费者需要等待生产者生产数据
  • 如果只用互斥锁，消费者只能不断地获取锁、检查、释放锁
  • 这种"忙等待"会浪费 CPU 资源

1.3 条件变量的优势

条件变量（Condition Variable）提供了一种线程间的同步机制：

  • 允许线程在等待条件满足时主动休眠
  • 当条件满足时可以唤醒等待的线程
  • 避免了忙等待，提高系统效率

二、条件变量的工作原理

2.1 基本概念

条件变量是一种线程同步机制，主要包含两个操作：

  • 等待（wait）：线程进入睡眠状态
  • 通知（signal/broadcast）：唤醒等待的线程

2.2 与互斥锁的配合

条件变量必须与互斥锁配合使用：

  1. 保护条件变量相关的共享数据
  2. 确保条件检查和等待操作的原子性
  3. 防止出现竞态条件

2.3 内核实现机制

条件变量在内核层面的实现：

  1. 等待队列管理

    • 维护一个 FIFO 等待队列
    • 线程状态转换（运行->等待）
    • 上下文切换处理

  2. 信号通知机制

    • 唤醒策略（FIFO/优先级）
    • 线程重新调度
    • 等待队列操作的原子性保证

三、条件变量的基础使用

3.1 API 说明

// 初始化
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr);

// 销毁
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

// 等待
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);

// 通知
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

3.2 基础示例

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
int ready = 0;

void* waiter(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    
    while (!ready) {
        printf("等待条件满足...\n");
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
    }
    
    printf("条件满足，继续执行\n");
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

void* signaler(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    ready = 1;
    printf("设置条件并通知\n");
    pthread_cond_signal(&cond);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

四、深入理解条件变量

4.1 pthread_cond_wait 的内部实现

// 简化的内部实现逻辑
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex) {
    // 1. 准备工作
    thread_t *current = get_current_thread();
    wait_queue_t wait;
    init_waitqueue_entry(&wait, current);
    
    // 2. 原子操作：加入等待队列并释放互斥锁
    disable_preemption();
    add_wait_queue(&cond->wait_queue, &wait);
    current->state = TASK_INTERRUPTIBLE;
    pthread_mutex_unlock(mutex);
    
    // 3. 进入睡眠
    schedule();
    
    // 4. 被唤醒后
    remove_wait_queue(&cond->wait_queue, &wait);
    enable_preemption();
    
    // 5. 重新获取互斥锁
    pthread_mutex_lock(mutex);
    
    return 0;
}

4.2 条件变量的内存屏障

条件变量实现中的内存同步：

// 发送信号时的内存屏障
void pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond) {
    smp_wmb();  // 写内存屏障，确保之前的写操作都已完成
    wake_up_one(&cond->wait_queue);
}

// 等待时的内存屏障
void pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex) {
    smp_rmb();  // 读内存屏障，确保看到最新的条件值
    // ... 等待逻辑 ...
}

五、高级应用场景

5.1 生产者-消费者模式

typedef struct {
    pthread_mutex_t mutex;
    pthread_cond_t not_full;
    pthread_cond_t not_empty;
    int buffer[BUFFER_SIZE];
    int count;
    int in;
    int out;
} bounded_buffer_t;

void producer(bounded_buffer_t *bb, int item) {
    pthread_mutex_lock(&bb->mutex);
    
    while (bb->count == BUFFER_SIZE) {
        pthread_cond_wait(&bb->not_full, &bb->mutex);
    }
    
    bb->buffer[bb->in] = item;
    bb->in = (bb->in + 1) % BUFFER_SIZE;
    bb->count++;
    
    pthread_cond_signal(&bb->not_empty);
    pthread_mutex_unlock(&bb->mutex);
}

int consumer(bounded_buffer_t *bb) {
    int item;
    pthread_mutex_lock(&bb->mutex);
    
    while (bb->count == 0) {
        pthread_cond_wait(&bb->not_empty, &bb->mutex);
    }
    
    item = bb->buffer[bb->out];
    bb->out = (bb->out + 1) % BUFFER_SIZE;
    bb->count--;
    
    pthread_cond_signal(&bb->not_full);
    pthread_mutex_unlock(&bb->mutex);
    
    return item;
}

5.2 读写锁实现

typedef struct {
    pthread_mutex_t mutex;
    pthread_cond_t read_cond;
    pthread_cond_t write_cond;
    int readers;
    int writers;
    int waiting_writers;
} rwlock_t;

void rwlock_init(rwlock_t *lock) {
    pthread_mutex_init(&lock->mutex, NULL);
    pthread_cond_init(&lock->read_cond, NULL);
    pthread_cond_init(&lock->write_cond, NULL);
    lock->readers = 0;
    lock->writers = 0;
    lock->waiting_writers = 0;
}

void rwlock_rdlock(rwlock_t *lock) {
    pthread_mutex_lock(&lock->mutex);
    
    while (lock->writers > 0 || lock->waiting_writers > 0) {
        pthread_cond_wait(&lock->read_cond, &lock->mutex);
    }
    
    lock->readers++;
    pthread_mutex_unlock(&lock->mutex);
}

void rwlock_wrlock(rwlock_t *lock) {
    pthread_mutex_lock(&lock->mutex);
    lock->waiting_writers++;
    
    while (lock->readers > 0 || lock->writers > 0) {
        pthread_cond_wait(&lock->write_cond, &lock->mutex);
    }
    
    lock->waiting_writers--;
    lock->writers++;
    pthread_mutex_unlock(&lock->mutex);
}

void rwlock_unlock(rwlock_t *lock) {
    pthread_mutex_lock(&lock->mutex);
    
    if (lock->writers > 0) {
        lock->writers--;
        if (lock->waiting_writers > 0) {
            pthread_cond_signal(&lock->write_cond);
        } else {
            pthread_cond_broadcast(&lock->read_cond);
        }
    } else {
        lock->readers--;
        if (lock->readers == 0 && lock->waiting_writers > 0) {
            pthread_cond_signal(&lock->write_cond);
        }
    }
    
    pthread_mutex_unlock(&lock->mutex);
}

六、性能优化与调优

6.1 减少锁竞争

  1. 分离锁策略
typedef struct {
    pthread_mutex_t data_mutex;    // 保护数据访问
    pthread_mutex_t signal_mutex;  // 保护条件变量操作
    pthread_cond_t cond;
    int data;
} optimized_sync_t;

void optimized_wait(optimized_sync_t *sync) {
    pthread_mutex_lock(&sync->signal_mutex);
    pthread_mutex_lock(&sync->data_mutex);
    
    while (!check_condition(sync->data)) {
        pthread_mutex_unlock(&sync->data_mutex);
        pthread_cond_wait(&sync->cond, &sync->signal_mutex);
        pthread_mutex_lock(&sync->data_mutex);
    }
    
    // 处理数据
    pthread_mutex_unlock(&sync->data_mutex);
    pthread_mutex_unlock(&sync->signal_mutex);
}

6.2 避免惊群效应

typedef struct {
    pthread_mutex_t mutex;
    pthread_cond_t cond;
    int waiting_threads;
    int active_threads;
} thread_pool_t;

void wake_worker(thread_pool_t *pool) {
    pthread_mutex_lock(&pool->mutex);
    if (pool->waiting_threads > 0) {
        // 只唤醒一个线程
        pthread_cond_signal(&pool->cond);
        pool->active_threads++;
    }
    pthread_mutex_unlock(&pool->mutex);
}

6.3 超时处理优化

int timed_wait_optimized(pthread_cond_t *cond, 
                        pthread_mutex_t *mutex,
                        int timeout_ms) {
    struct timespec ts;
    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &ts);
    
    // 计算绝对超时时间
    ts.tv_sec += timeout_ms / 1000;
    ts.tv_nsec += (timeout_ms % 1000) * 1000000;
    if (ts.tv_nsec >= 1000000000) {
        ts.tv_sec++;
        ts.tv_nsec -= 1000000000;
    }
    
    return pthread_cond_timedwait(cond, mutex, &ts);
}

七、常见陷阱与最佳实践

7.1 虚假唤醒处理

// 错误示例
if (!condition) {
    pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}

// 正确示例
while (!condition) {
    pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}

7.2 死锁预防

// 错误示例：信号发送时持有锁
pthread_mutex_lock(&mutex);
pthread_cond_signal(&cond);
pthread_mutex_unlock(&mutex);

// 正确示例：先释放锁再发送信号
pthread_mutex_lock(&mutex);
// ... 修改共享数据 ...
pthread_mutex_unlock(&mutex);
pthread_cond_signal(&cond);

7.3 资源清理

void cleanup_handler(void *arg) {
    pthread_mutex_t *mutex = (pthread_mutex_t *)arg;
    pthread_mutex_unlock(mutex);
}

void safe_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex) {
    pthread_cleanup_push(cleanup_handler, mutex);
    pthread_cond_wait(cond, mutex);
    pthread_cleanup_pop(1);
}

八、总结与实践建议

8.1 使用准则

  1. 始终在循环中检查条件
  2. 注意锁的获取和释放顺序
  3. 合理使用 signal 和 broadcast
  4. 正确处理超时和错误情况

8.2 调试技巧

  1. 使用 PTHREAD_COND_INITIALIZER 或 pthread_cond_init
  2. 检查返回值
  3. 使用调试工具跟踪死锁
  4. 添加日志记录关键操作

8.3 性能优化要点

  1. 最小化临界区
  2. 避免不必要的唤醒
  3. 使用适当的锁粒度
  4. 考虑替代同步机制

条件变量是一个强大但需要谨慎使用的同步工具。正确理解其工作原理和最佳实践，对于开发高质量的多线程程序至关重要。

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