Linux系统编程之【多线程同步】

12.线程同步

目录

12.线程同步

12.1为什么需要线程同步

12.2 互斥锁

12.2.1 互斥锁死锁

12.2.2 互斥锁的属性

12.3 条件变量

12.3.1 通知和等待条件变量

12.3.2 条件变量的判断条件

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12.1为什么需要线程同步

每个线程都是系统调用的基本单元，参与到系统调度队列中；对于多个线程间的共享资源，并发执行会导致对共享资源的并发访问，并发访问所带来的问题就是竞争，并发访问就可能会出现数据一致性问题

12.2 互斥锁

互斥锁使用 pthread_mutex_t 数据类型表示，在使用互斥锁之前，必须首先对它进行初始化操作

• 初始化

1、使用 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 宏初始化互斥锁

(定义的时候即初始化)

# define PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER \
 { { 0, 0, 0, 0, 0, __PTHREAD_SPINS, { 0, 0 } } }

2、使用 pthread_mutex_init()函数初始化互斥锁

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);

attr：参数 attr 是一个 pthread_mutexattr_t 类型指针，指向一个 pthread_mutexattr_t 类型对象，该对象用于定义互斥锁的属性（在 12.2.6 小计中介绍）

• 互斥加锁和解锁

互斥锁初始化之后，处于一个未锁定状态，调用函数 pthread_mutex_lock()可以对互斥锁加锁、获取互

斥锁，而调用函数 pthread_mutex_unlock()可以对互斥锁解锁、释放

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

如果互斥锁此时已经被其它线程锁定了，那么调用 pthread_mutex_lock()会一直阻塞，直到该互斥锁被解锁

• pthread_mutex_trylock()函数

如果线程不希望被阻塞，可以使用 pthread_mutex_trylock()函数；调用 pthread_mutex_trylock()函数尝试对互斥锁进行加锁，如果互斥锁处于未锁住状态，那么调用 pthread_mutex_trylock()将会锁住互斥锁并立马返回，如果互斥锁已经被其它线程锁住，调用 pthread_mutex_trylock()加锁失败，但不会阻塞，而是返回错误码 EBUSY

• 销毁互斥锁

当不再需要互斥锁时，应该将其销毁，通过调用 pthread_mutex_destroy()函数来销毁互斥锁

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

12.2.1 互斥锁死锁

如果用到了多个互斥锁，要避免此类死锁的问题，最简单的方式就是定义互斥锁的层级关系，当多个线程对一组互斥锁操作时，总是应该按照相同的顺序对该组互斥锁进行锁定。

12.2.2 互斥锁的属性

调用 pthread_mutex_init()函数初始化互斥锁时可以设置互斥锁的属性，通过参数 attr 指定。

参数 attr 指向一个 pthread_mutexattr_t 类型对象，该对象对互斥锁的属性进行定义，

• 属性初始化

当定义 pthread_mutexattr_t 对象之后，需要使用 pthread_mutexattr_init()函数对该对象进行初始化操作，当对象不再使用时，需要使用 pthread_mutexattr_destroy()将其销毁

int pthread_mutexattr_destroy(pthread_mutexattr_t *attr);
int pthread_mutexattr_init(pthread_mutexattr_t *attr);

12.3 条件变量

条件变量是线程可用的另一种同步机制。条件变量用于自动阻塞线程，知道某个特定事件发生或某个条件满足为止，通常情况下，条件变量是和互斥锁一起搭配使用的。使用条件变量主要包括两个动作：

• 一个线程等待某个条件满足而被阻塞；

• 另一个线程中，条件满足时发出“信号”

12.3.1 通知和等待条件变量

条件变量的主要操作便是发送信号（signal）和等待。

发送信号操作即是通知一个或多个处于等待状态的线程，某个共享变量的状态已经改变，这些处于等待状态的线程收到通知之后便会被唤醒，唤醒之后再检查条件是否满足。

等待操作是指在收到一个通知前一直处于阻塞状态。

• 初始化

条件变量使用 pthread_cond_t 数据类型来表示，类似于互斥锁，在使用条件变量之前必须对其进行初始化。初始化方式同样也有两种：使用宏 PTHREAD_COND_INITIALIZER 或者使用函数 pthread_cond_init()

//静态方式初始化条件变量
static pthread_cond_t  g_tConVar = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
//动态方式初始化条件变量
在动态分配pthread_cond_t类型的变量的时候，只能使用pthread_cond_init它来初始化

• 发送信号

函数 pthread_cond_signal()和 pthread_cond_broadcast()均可向指定的条件变量发送信号，通知一个或多个处于等待状态的线程。

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

• 等待

调用 pthread_cond_wait()函数是线程阻塞，直到收到条件变量的通知。

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);

当程序当中使用条件变量，当判断某个条件不满足时，调用 pthread_cond_wait()函数将线程设置为等待状态（阻塞）

这个函数功能可以总结为两点：

1. 等待条件变量满足；

2. 把获得的锁释放掉

（1、2步为一个原子操作）

在 pthread_cond_wait()函数内部会对参数 mutex 所指定的互斥锁进行操作，通常情况下，条件判断以及pthread_cond_wait()函数调用均在互斥锁的保护下，也就是说，在此之前线程已经对互斥锁加锁了。调用pthread_cond_wait()函数时，调用者把互斥锁传递给函数，函数会自动把调用线程放到等待条件的线程列表上，然后将互斥锁解锁；当 pthread_cond_wait()被唤醒返回时，会再次锁住互斥锁

12.3.2 条件变量的判断条件

必须使用 while 循环，而不是 if 语句，这是一种通用的设计原则

• 消费者线程

 for ( ; ; )
 {
 pthread_mutex_lock(&mutex);//上锁  
 while (0 >= g_avail)
 pthread_cond_wait(&cond, &mutex);//等待条件满   
 while (0 < g_avail)
 g_avail--; //消费
 pthread_mutex_unlock(&mutex);//解锁
 }

• 生产者线程

for ( ; ; ) 
{
 pthread_mutex_lock(&mutex);//上锁
 g_avail++; //生产
 pthread_mutex_unlock(&mutex);//解锁
 pthread_cond_signal(&cond);//向条件变量发送信号
 }