【Linux】线程同步—条件变量

条件变量是pthread提供的另一种线程间同步机制。互斥量用于允许或阻塞对临界区的访问，而条件变量则允许线程由于一些未达到的条件而阻塞。互斥量和条件变量往往是一起使用的。
考虑一个生产者—消费者问题，一个线程将数据写入缓冲区，另一个线程将数据从缓冲区取出。如果生产者发现缓冲区中没有空槽可以使用，它将不得不阻塞直到由空槽可用。生产者可以使用互斥量来对缓冲区进行原子性的检查，不用担心受其他线程影响。那么如何使生产者在被阻塞之后由于条件被满足（有空槽可用）而被唤醒，这是条件变量要做的事。
pthread提供了关于条件变量的如下接口：

#include <pthread.h>
pthread_cond_t; //条件变量数据类型

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);
                            //初始化条件变量， attr为NULL表示使用默认属性
                            //也可以使用常量PTHREAD_COND_INITIALIZER来初始化静态分配的条件变量

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);     
                            //撤销一个条件变量

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);
                            //阻塞并等待一个信号

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *rectrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict tsptr);
                            //指定一个超时值之后阻塞并等待一个信号，若超时则返回ETIMEDOUT
                            //注意这里的参数tsptr指定的是一个绝对时间，是线程阻塞结束的时刻，而不是线程持续等待的时间

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
                            //唤醒一个等待条件变量cond的线程

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);   
                            //唤醒等待条件变量cond的所有线程

                            返回值：若成功，返回0 否则返回错误编号

pthread_cond_wait 和 pthread_cond_signal 关于条件变量最重要的两个操作，前者阻塞调用线程直到另一线程向它发信号。被阻塞的线程通常是在等待发信号的线程去做一些其他的工作，比如释放一些资源或一些其他活动，只有这些活动完成后被阻塞的线程才能够继续运行。条件变量允许这种等待与阻塞原子性地进行。
传递给pthread_cond_wait的互斥量对条件进行保护，调用者将锁住的互斥量传递给函数，函数然后自动把调用线程放到等待条件的线程列表上，之后对互斥量解锁。在函数返回时，互斥量会被重新加锁。所以在pthread_cond_signal发送信号到从函数pthread_cond_wait返回，中间可能会有一段阻塞的时间，因为在pthread_cond_wait对互斥量重新加锁前，互斥量有可能是已上锁的，所以函数会再次阻塞直到互斥量被解锁。然后对其上锁后返回。

下面是一个简单的生产者消费者问题，缓冲区的大小为1，生产者填满缓冲区后，在写入下一个数据之前必须等待消费者将数据取出。而消费者取走一个数据后，在取下一个数据前也得等待生产者写入。下面代码演示如何用条件变量的方式来对这两个线程进行同步。

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

#define MAX 10 //生产者的生产数量
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t condc = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_cond_t condp = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
int buffer = 0; //缓冲区, 0表示缓冲区为空

void *producer(void *args)
{
    for(int i = 1; i <= MAX; i++){
        pthread_mutex_lock(&lock); //对缓冲区上锁
        while(buffer != 0)
            pthread_cond_wait(&condp, &lock);
        buffer = i;                  //填充缓冲区
        printf("producer : %d  ", buffer);
        pthread_cond_signal(&condc); //唤醒消费者
        pthread_mutex_unlock(&lock); //释放缓冲区
    }
    pthread_exit(0);
}

void *consumer(void *args)
{
    for(int i = 1; i <= MAX; i++){
        pthread_mutex_lock(&lock); //对缓冲区上锁
        while(buffer == 0)
            pthread_cond_wait(&condc, &lock);
        printf("consumer : %d\n", buffer);
        buffer = 0;                  //从缓冲区取出数据
        pthread_cond_signal(&condp); //唤醒生产者
        pthread_mutex_unlock(&lock); //释放缓冲区
    }
    pthread_exit(0);
}

int main()
{
    pthread_t tidc, tidp;
    pthread_create(&tidp, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&tidc, NULL, consumer, NULL);
    pthread_join(tidp, NULL);
    pthread_join(tidc, NULL);
    pthread_cond_destroy(&condp);
    pthread_cond_destroy(&condc);
    pthread_mutex_destroy(&lock);
}

输出结果

producer : 1  consumer : 1
producer : 2  consumer : 2
producer : 3  consumer : 3
producer : 4  consumer : 4
producer : 5  consumer : 5
producer : 6  consumer : 6
producer : 7  consumer : 7
producer : 8  consumer : 8
producer : 9  consumer : 9
producer : 10  consumer : 10