多线程编程-条件变量

最新推荐文章于 2024-07-17 13:09:55 发布

terrytan18

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分类专栏： C/C++ linux编程文章标签：多线程编程 thread null signal join

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/terrytan18/article/details/8002086

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本文深入探讨了并发编程中条件变量与互斥锁的应用场景，特别是当共享资源状态需满足特定条件时如何高效同步多个线程。通过实例展示了如何使用条件变量与互斥锁解决线程间数据访问冲突，以及如何避免不必要的CPU资源浪费。

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有的时候仅仅依靠锁住共享资源来使用它是不够的。有时候共享资源只有某些状态的时候才能够使用。比方说，某个线程如果要从堆栈中读取数据，那么如果栈中没有数据就必须等待数据被压栈。这种情况下的同步使用互斥锁

是不够的。另一种同步的方式－－条件变量，就可以使用在这种情况下。

条件变量的使用总是和互斥锁及共享资源联系在一起的。线程首先锁住互斥锁，然后检验共享资源的状态是否处于可使用的状态。如果不是，那么线程就要等待条件变量。要指向这样的操作就必须在等待的时候将互斥锁解锁，以

便其他线程可以访问共享资源并改变其状态。它还得保证从等到得线程返回时互斥体是被上锁得。当另一个线程改变了共享资源的状态时，它就要通知正在等待条件变量的线程，使之重新变回被互斥锁阻塞的线程。

假设有共享的资源sum,与之相关联的mutex 是lock_s.假设每个线程对sum的操作很简单的,与sum的状态无关,比如只是sum++.那么只用mutex足够了.程序员只要确保每个线程操作前,取得lock,然后sum++,再unlock即可.每个线程

的代码将像这样

add()
{
　　 pthread_mutex_lock(lock_s);
　　 sum++;
　　 pthread_mutex_unlock(lock_s);
}

　　如果操作比较复杂,假设线程t0,t1,t2的操作是sum++,而线程t3则是在sum到达100的时候,打印出一条信息,并对sum清零.这种情况下,如果只用mutex, 则t3需要一个循环,每个循环里先取得lock_s,然后检查sum的状态,如果sum>=100,

则打印并清零,然后unlock.如果sum<100,则unlock,并sleep()本线程合适的一段时间.

　这个时候,t0,t1,t2的代码不变,t3的代码如下

print()
{
　　　while(1)
　　　{
　　　　　pthread_mutex_lock(lock_s);
　　　　　if(sum >= 100)
　　　　　{
　　　　　　　　printf(“sum has reached 100!”);
sum = 0;
pthread_mutex_unlock(lock_s);
　　　　　}
　　　　　else
　　　　 {
pthread_mutex_unlock(lock_s);
　　　　　　　sleep(100);　
　　　　　}
　　　}
}

这种办法有两个问题
　　1) sum在大多数情况下不会到达100,那么对t3的代码来说,大多数情况下,走的是else分支,只是lock和unlock,然后sleep().这浪费了CPU处理时间.
　　2) 为了节省CPU处理时间,t3会在探测到sum没到达100的时候sleep()一段时间.这样却又带来另外一个问题,亦即t3响应速度下降.可能在sum到达200的时候,t3才会醒过来.
　　这样,程序员在设置sleep()时间的时候陷入两难境地,设置得太短了节省不了资源,太长了又降低响应速度.真是难办啊!

　　这个时候,condition variable内裤外穿,从天而降,拯救了焦头烂额的你. 你可以首先定义一个condition variable.
　　pthread_cond_t cond_sum_ready = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

　　t0,t1,t2的代码只要后面加两行,像这样

add()
{
　　pthread_mutex_lock(lock_s);
　　sum++;　　　
　　if(sum >= 100)
{
　　 pthread_cond_signal(&cond_sum_ready);
}
pthread_mutex_unlock(lock_s);
}

而t3的代码则是

print
{
　　pthread_mutex_lock(lock_s);
　　while(sum < 100)
{
　　 pthread_cond_wait(&cond_sum_ready, &lock_s);
}
　　printf(“sum is over 100!”);
　　sum = 0;
　　pthread_mutex_unlock(lock_s);
}

注意两点:
　　1) 在thread_cond_wait()之前,必须先lock相关联的mutex, 因为假如目标条件未满足,pthread_cond_wait()实际上会unlock该mutex, 然后block,当目标变量被唤醒的时候才会再重新lock该mutex, 然后返回.

　　2) 为什么是while(sum < 100),而不是if(sum < 100) ?这是因为在pthread_cond_signal()和pthread_cond_wait()返回之间,有时间差,假设在这个时间差内发生了唤醒拦截：还有另外一个线程t4又把sum减少到100以下了,那么t3在pthread_cond_wait()返回之后,显然应该再检查一遍sum的大小.这就是用while的用意,如果sum减少到了100以下,就会再次进入pthread_cond_wait方法.

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

static int sum = 0;
pthread_mutex_t lock_s = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond_sum_ready = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

void add(void)
{
	pthread_mutex_lock(&lock_s);
	sum++;
	printf("tid=%d, sum=%d\n",pthread_self(),sum);
	if(sum >= 100)
	{
		pthread_cond_signal(&cond_sum_ready);
	}
	pthread_mutex_unlock(&lock_s);
}

void print(void)
{
	pthread_mutex_lock(&lock_s);
	while(sum < 100)
	{
			pthread_cond_wait(&cond_sum_ready, &lock_s);
	}
	printf("sum is over 100!\n");
	sum = 0;
	pthread_mutex_unlock(&lock_s);

}

void *fn_1(void* arg)
{
	int i;
	for(i = 0; i < 100; i++)
	{
		usleep(10);
		add();
	}
	return ((void *)0);
}

void *fn_2(void *arg)
{
	int i;
	for(i = 0; i < 100; i++)
	{
		usleep(20);
		add();
	}
	return ((void *)0);
}

void *fn_3(void *arg)
{
	int i;
	for(i = 0; i < 100; i++)
	{
		usleep(30);
		add();
	}
	return ((void *)0);
}

void *fn_4(void *arg)
{
	for(;;)
	{
		print();
	}	
	return ((void *)0);
}

int main(void)
{
	void *ret;
	int err;
	pthread_t tid1, tid2, tid3, tid4;
	err = pthread_create(&tid1, NULL, fn_1, NULL);
	if (err != 0)
		err_quit("can't create thread 1: %s\n", strerror(err));
	err = pthread_create(&tid2, NULL, fn_2, NULL);
	if (err != 0)
		err_quit("can't create thread 2: %s\n", strerror(err));
	err = pthread_create(&tid3, NULL, fn_3, NULL);
	if (err != 0)
		err_quit("can't create thread 3: %s\n", strerror(err));
	err = pthread_create(&tid4, NULL, fn_4, NULL);
	if (err != 0)
		err_quit("can't create thread 4: %s\n", strerror(err));
	pthread_join(tid3, &ret);

	exit(0);
}