超轻量 pthread 集结点实现

我需要的 pthread 线程集结点功能，使用同一集结点的线程将通过 rend_wait 函数等待，当集结点到达指定数量的线程后同时激发继续执行。使用 pthread 的 mutex 和 cond 超轻量实现。下面 rend.h 是集结点实现，rendezvous.c 是测试应用。

 

C代码

1. /*  
2.  * rend.h  
3.  *  
4.  *  Created on: 2009-11-14  
5.  *      Author: liuzy (lzy.dev@gmail.com)  
6.  */  
7.   
8. #ifndef REND_H_   
9. #define REND_H_   
10.   
11. #include <pthread.h>   
12. #include <assert.h>   
13.   
14. struct rend_t {   
15.     volatile int count;   
16.     pthread_mutex_t count_lock;   
17.     pthread_cond_t ready;   
18. };   
19.   
20. #define DECLARE_REND(name, count) /   
21.     struct rend_t name = {(count), PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER, PTHREAD_COND_INITIALIZER}   
22.   
23. int rend_init(struct rend_t* prend, int count) {   
24.     int ret = 0;   
25.   
26.     assert(prend);   
27.   
28.     prend->count = count;   
29.   
30.     if ((ret = pthread_mutex_init(&prend->count_lock, NULL)))   
31.         return ret;   
32.   
33.     if ((ret = pthread_cond_init(&prend->ready, NULL)))   
34.         return ret;   
35.   
36.     return EXIT_SUCCESS;   
37. }   
38.   
39. int rend_wait(struct rend_t* prend) {   
40.     int ret = 0;   
41.   
42.     assert(prend);   
43.   
44.     if ((ret = pthread_mutex_lock(&prend->count_lock)))   
45.         return ret;   
46.   
47.     /* check count value is ready to weak up block code */  
48.     if (prend->count == 1) {   
49.         if ((ret = pthread_cond_broadcast(&prend->ready)))   
50.             return ret;   
51.   
52.         if ((ret = pthread_mutex_unlock(&prend->count_lock)))   
53.             return ret;   
54.     } else {   
55.         prend->count--;   
56.   
57.         ret = pthread_cond_wait(&prend->ready, &prend->count_lock);   
58.         prend->count++;   
59.   
60.         if (ret) {   
61.             pthread_mutex_unlock(&prend->count_lock);   
62.             return ret;   
63.         }   
64.   
65.         if ((ret = pthread_mutex_unlock(&prend->count_lock)))   
66.             return ret;   
67.     }   
68.   
69.     return EXIT_SUCCESS;   
70. }   
71.   
72. int rend_free(struct rend_t* prend) {   
73.     int ret = 0;   
74.   
75.     assert(prend);   
76.   
77.     prend->count = 0;   
78.   
79.     if ((ret = pthread_mutex_destroy(&prend->count_lock)))   
80.         return ret;   
81.   
82.     if ((ret = pthread_cond_destroy(&prend->ready)))   
83.         return ret;   
84.   
85.     return EXIT_SUCCESS;   
86. }   
87.   
88. #endif /* REND_H_ */  

/*
 * rend.h
 *
 *  Created on: 2009-11-14
 *      Author: liuzy (lzy.dev@gmail.com)
 */

#ifndef REND_H_
#define REND_H_

#include <pthread.h>
#include <assert.h>

struct rend_t {
	volatile int count;
	pthread_mutex_t count_lock;
	pthread_cond_t ready;
};

#define DECLARE_REND(name, count) /
	struct rend_t name = {(count), PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER, PTHREAD_COND_INITIALIZER}

int rend_init(struct rend_t* prend, int count) {
	int ret = 0;

	assert(prend);

	prend->count = count;

	if ((ret = pthread_mutex_init(&prend->count_lock, NULL)))
		return ret;

	if ((ret = pthread_cond_init(&prend->ready, NULL)))
		return ret;

	return EXIT_SUCCESS;
}

int rend_wait(struct rend_t* prend) {
	int ret = 0;

	assert(prend);

	if ((ret = pthread_mutex_lock(&prend->count_lock)))
		return ret;

	/* check count value is ready to weak up block code */
	if (prend->count == 1) {
		if ((ret = pthread_cond_broadcast(&prend->ready)))
			return ret;

		if ((ret = pthread_mutex_unlock(&prend->count_lock)))
			return ret;
	} else {
		prend->count--;

		ret = pthread_cond_wait(&prend->ready, &prend->count_lock);
		prend->count++;

		if (ret) {
			pthread_mutex_unlock(&prend->count_lock);
			return ret;
		}

		if ((ret = pthread_mutex_unlock(&prend->count_lock)))
			return ret;
	}

	return EXIT_SUCCESS;
}

int rend_free(struct rend_t* prend) {
	int ret = 0;

	assert(prend);

	prend->count = 0;

	if ((ret = pthread_mutex_destroy(&prend->count_lock)))
		return ret;

	if ((ret = pthread_cond_destroy(&prend->ready)))
		return ret;

	return EXIT_SUCCESS;
}

#endif /* REND_H_ */

 

rend 使用更简单：

 

1. 定义/初始化 rend_t 集结点对象。DECLARE_REND 宏用于静态定义，rend_init 函数可以对动态创建的集结点结构初始化；
2. pthread 线程通过调用 rend_wait 函数 P/V 集结状态。集结关系的线程要 P/V 在同一个 rend_t 集结对象上；
3. 释放集结对象，rend_free 函数。

以上函数都是成功返回 0，出错返回 errno 值（非 0）。

 

 

C代码

1. /*  
2.  ==============================  
3.  Name        : rendezvous.c  
4.  Author      : liuzy (lzy.dev@gmail.com)  
5.  Version     : 0.1  
6. ==============================  
7.  */  
8.   
9. #include <stdio.h>   
10. #include <stdlib.h>   
11. #include <stdarg.h>       /* va_list */   
12. #include <unistd.h>   
13. #include <string.h>   
14. #include <errno.h>        /* errno */   
15. #include <syslog.h>       /* for syslog(2) and level */   
16. #include <pthread.h>   
17.   
18. #include "rend.h"   
19.   
20. static int daemon_proc = 0; /* for syslog in err_doit */  
21.   
22. #define MAXLINE 4096        /* max text line length */   
23.   
24. void err_doit(int errnoflag, int level, const char* fmt, va_list ap) {   
25.   
26.     char buf[MAXLINE + 1] = { 0 };   
27.     int errno_save = errno, n = 0;   
28.   
29. #ifdef HAVE_VSNPRINTF   
30.     vsnprintf(buf, MAXLINE, fmt, ap);   
31. #else   
32.     vsprintf(buf, fmt, ap);   
33. #endif  /* HAVE_VSNPRINTF */   
34.   
35.     n = strlen(buf);   
36.     if (errnoflag)   
37.         snprintf(buf + n, MAXLINE - n, ": %s", strerror(errno_save));   
38.     strcat(buf, "/n");   
39.   
40.     if (daemon_proc) {   
41.         syslog(level, "%s", buf);   
42.     } else {   
43.         fflush(stdout);   
44.         fputs(buf, stderr);   
45.         fflush(stderr);   
46.     }   
47.   
48.     return;   
49. }   
50.   
51. void err_msg(const char* fmt, ...) {   
52.     va_list ap;   
53.   
54.     va_start(ap, fmt);   
55.     err_doit(0, LOG_INFO, fmt, ap);   
56.     va_end(ap);   
57.   
58.     return;   
59. }   
60.   
61. void err_sys(const char* fmt, ...) {   
62.     va_list ap;   
63.   
64.     va_start(ap, fmt);   
65.     err_doit(1, LOG_ERR, fmt, ap);   
66.     va_end(ap);   
67.   
68.     exit(EXIT_FAILURE);   
69. }   
70.   
71. #define THREAD_COUNT 100    /* rendezvous test thread workers */   
72.   
73. struct worker_arg {   
74.     int worker_id;   
75.     struct rend_t* prend;   
76. };   
77.   
78. static void* pthread_worker(void* arg) {   
79.     struct worker_arg* parg = (struct worker_arg*) arg;   
80.   
81.     err_msg("worker #%d running.", (int) parg->worker_id);   
82.   
83.     srand(parg->worker_id * 2);   
84.     sleep(rand() % 5);   
85.   
86.     rend_wait(parg->prend);  /* workers rendezvous */  
87.   
88.     err_msg("worker #%d exiting.", (int) parg->worker_id);   
89.   
90.     return EXIT_SUCCESS;   
91. }   
92.   
93. int main(void) {   
94.     int idx = 0;   
95.     void* exitcode = NULL;   
96.   
97.     pthread_t thds[THREAD_COUNT];   
98.     struct worker_arg arg[THREAD_COUNT];   
99.     DECLARE_REND(rend, THREAD_COUNT);   
100.   
101.     err_msg("workers creating.");   
102.   
103.     for (idx = 0; idx < THREAD_COUNT; idx++) {   
104.         arg[idx].prend = &rend;   
105.         arg[idx].worker_id = idx;   
106.   
107.         if (pthread_create(thds + idx, NULL, pthread_worker, (void*) &arg[idx]))   
108.             err_sys("worker #%d create error.", idx);   
109.     }   
110.   
111.     puts("workers exiting.");   
112.   
113.     for (idx = 0; idx < THREAD_COUNT; idx++)   
114.         if (pthread_join(thds[idx], &exitcode) || (exitcode != EXIT_SUCCESS))   
115.             err_msg("worker #%d exit error.", idx);   
116.   
117.     err_msg("all done. exit 0.");   
118.   
119.     rend_free(&rend);   
120.   
121.     return EXIT_SUCCESS;   
122. }  

/*
 ==============================
 Name        : rendezvous.c
 Author      : liuzy (lzy.dev@gmail.com)
 Version     : 0.1
==============================
 */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdarg.h>		/* va_list */
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>		/* errno */
#include <syslog.h>		/* for syslog(2) and level */
#include <pthread.h>

#include "rend.h"

static int daemon_proc = 0;	/* for syslog in err_doit */

#define	MAXLINE 4096		/* max text line length */

void err_doit(int errnoflag, int level, const char* fmt, va_list ap) {

	char buf[MAXLINE + 1] = { 0 };
	int errno_save = errno, n = 0;

#ifdef HAVE_VSNPRINTF
	vsnprintf(buf, MAXLINE, fmt, ap);
#else
	vsprintf(buf, fmt, ap);
#endif	/* HAVE_VSNPRINTF */

	n = strlen(buf);
	if (errnoflag)
		snprintf(buf + n, MAXLINE - n, ": %s", strerror(errno_save));
	strcat(buf, "/n");

	if (daemon_proc) {
		syslog(level, "%s", buf);
	} else {
		fflush(stdout);
		fputs(buf, stderr);
		fflush(stderr);
	}

	return;
}

void err_msg(const char* fmt, ...) {
	va_list ap;

	va_start(ap, fmt);
	err_doit(0, LOG_INFO, fmt, ap);
	va_end(ap);

	return;
}

void err_sys(const char* fmt, ...) {
	va_list ap;

	va_start(ap, fmt);
	err_doit(1, LOG_ERR, fmt, ap);
	va_end(ap);

	exit(EXIT_FAILURE);
}

#define THREAD_COUNT 100	/* rendezvous test thread workers */

struct worker_arg {
	int worker_id;
	struct rend_t* prend;
};

static void* pthread_worker(void* arg) {
	struct worker_arg* parg = (struct worker_arg*) arg;

	err_msg("worker #%d running.", (int) parg->worker_id);

	srand(parg->worker_id * 2);
	sleep(rand() % 5);

	rend_wait(parg->prend);	/* workers rendezvous */

	err_msg("worker #%d exiting.", (int) parg->worker_id);

	return EXIT_SUCCESS;
}

int main(void) {
	int idx = 0;
	void* exitcode = NULL;

	pthread_t thds[THREAD_COUNT];
	struct worker_arg arg[THREAD_COUNT];
	DECLARE_REND(rend, THREAD_COUNT);

	err_msg("workers creating.");

	for (idx = 0; idx < THREAD_COUNT; idx++) {
		arg[idx].prend = &rend;
		arg[idx].worker_id = idx;

		if (pthread_create(thds + idx, NULL, pthread_worker, (void*) &arg[idx]))
			err_sys("worker #%d create error.", idx);
	}

	puts("workers exiting.");

	for (idx = 0; idx < THREAD_COUNT; idx++)
		if (pthread_join(thds[idx], &exitcode) || (exitcode != EXIT_SUCCESS))
			err_msg("worker #%d exit error.", idx);

	err_msg("all done. exit 0.");

	rend_free(&rend);

	return EXIT_SUCCESS;
}

 

          看了下 semaphore os syscall 及其 infrastructure，也许以后还需要进程间（非 pthread）集结时用得上。kernel 实现的超强啊，呵呵～

 

// 2009.11.17 14:34 添加

 

快速用户空间互斥锁（Futex）

快速用户空间互斥锁（fast userspace mutex，Futex）是快速的用户空间的锁，是对传统的System V同步方式的一种替代，传统同步方式如：信号量、文件锁和消息队列，在每次锁访问时需要进行系统调用。而futex仅在有竞争的操作时才用系统调用访问内核，这样，在竞争出现较少的情况下，可以大幅度地减少工作负载
futex在非竞争情况下可从用户空间获取和释放，不需要进入内核。与信号量类似，它有一个可以原子增减的计数器，进程可以等待计数器值变为正数。用户进程通过系统调用对资源的竞争作一个公断。
futex 是一个用户空间的整数值，被多个线程或进程共享。Futex的系统调用对该整数值时进行操作，仲裁竞争的访问。 glibc中的NPTL库封装了futex 系统调用，对futex接口进行了抽象。用户通过NPTL库像传统编程一样地使用线程同步API函数，而不会感觉到futex的存在。
futex 的实现机制是：如果当前进程访问临界区时，该临界区正被另一个进程使用，当前进程将锁用一个值标识，表示“有一个等待者正挂起”，并且调用 sys_futex(FUTEX_WAIT)等待其他进程释放它。内核在内部创建futex队列，以便以后与唤醒者匹配等待者。当临界区拥有者线程释放了 futex，它通过变量值发出通知表示还有多个等待者在挂起，并调用系统调用sys_futex(FUTEX_WAKE)唤醒它们。一旦所有等待者已获取资源并释放锁时，futex回到非竞争状态，并没有内核状态与它相关。
robust futex是为了解决futex锁崩溃而对futex进行了增强。例如：当一个进程在持有pthread_mutex_t锁正与其他进程发生竞争时，进程因某种意外原因而提前退出，如：进程发生段错误，或者被用户用shell命令kill -9-ed”强行退出，此时，需要有一种机制告诉等待者“锁的最一个持有者已经非正常地退出”。“
为了解决此类问题，NPTL创建了robust mutex用户空间API pthread_mutex_lock()，如果锁的拥有者进程提前退出，pthread_mutex_lock()返回一个错误值，新的拥有者进程可以决定是否可以安全恢复被锁保护的数据。

 

有几点不还不理解：

 

1. “futex 如果说是一个用户空间的整数值，那怎么被多个进程共享？Futex 系统调用在 kernel 态怎么操作该值并仲裁竞争？这是那种直接映射到 userspace 的 kernel 地址么。这个需要程序间通过 mmap 在共享段中访问，与 futex 没什么关系。
2. 这个“robust futex”机制指的应该就是 SVRx 传统 sem IPC 里的 SEM_UNDO flag 吧？

一篇不错的文章，引发对 glibc nptl 实现源码的探索：

关于信号量与线程互斥锁的区别与实现