【執行緒同步】執行緒同步
linux下提供了多種方式來處理執行緒同步，最常用的是互斥鎖、條件變數和訊號量。（臨界區）
1）互斥鎖（mutex）
{臨界區和互斥量（互斥鎖）的區別https://blog.csdn.net/bandaoyu/article/details/8399809
1. Mutexes 操作要比 Critical Section 費時的多。
2. Mutexes 可以跨程序使用，Critical Section 則只能在同一程序中使用。
3. 等待一個 Mutex 時，你可以指定"結束等待"的時間長度，而 Critical Section 則不行。
}
通過鎖機制實現執行緒間的同步。同一時刻只允許一個執行緒執行一個關鍵部分的程式碼。
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,const pthread_mutex_attr_t *mutexattr);
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex *mutex);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex *(1)先初始化鎖init()或靜態賦值pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIER
attr_t有:
PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP:其餘執行緒等待佇列
PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP:巢狀鎖,允許執行緒多次加鎖,不同執行緒,解鎖後重新競爭
PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP:檢錯,與一同,執行緒請求已用鎖,返回EDEADLK;
PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP:適應鎖,解鎖後重新競爭
(2)加鎖,lock,trylock,lock阻塞等待鎖,trylock立即返回EBUSY
(3)解鎖,unlock需滿足是加鎖狀態,且由加鎖執行緒解鎖
(4)清除鎖,destroy(此時鎖必需unlock,否則返回EBUSY,//Linux下互斥鎖不佔用記憶體資源
示例程式碼
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include "iostream"
using namespace std;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int tmp;
void* thread(void *arg)
{
cout << "thread id is " << pthread_self() << endl;
pthread_mutex_lock(&mutex);
tmp = 12;
cout << "Now a is " << tmp << endl;
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return NULL;
}
int main()
{
pthread_t id;
cout << "main thread id is " << pthread_self() << endl;
tmp = 3;
cout << "In main func tmp = " << tmp << endl;
if (!pthread_create(&id, NULL, thread, NULL))
{
cout << "Create thread success!" << endl;
}
else
{
cout << "Create thread failed!" << endl;
}
pthread_join(id, NULL);
pthread_mutex_destroy(&mutex);
return 0;
}
編譯： g++ -o thread testthread.cpp -lpthread
說明：pthread庫不是Linux系統預設的庫，連線時需要使用靜態庫libpthread.a，所以在使用pthread_create()建立執行緒，以及呼叫pthread_atfork()函式建立fork處理程式時，需要連結該庫。在編譯中要加 -lpthread引數。
2）條件變數（cond）
利用執行緒間共享的全域性變數進行同步的一種機制。條件變數上的基本操作有：觸發條件(當條件變為 true 時)；等待條件，掛起執行緒直到其他執行緒觸發條件。
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond,pthread_condattr_t *cond_attr);
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex *mutex,const timespec *abstime);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond); //解除所有執行緒的阻塞(1)初始化.init()或者pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIER（前者為動態初始化，後者為靜態初始化）;屬性置為NULL
(2)等待條件成立.pthread_wait,pthread_timewait.wait()釋放鎖,並阻塞等待條件變數為真，timewait()設定等待時間,仍未signal,返回ETIMEOUT(加鎖保證只有一個執行緒wait)
(3)啟用條件變數:pthread_cond_signal,pthread_cond_broadcast(啟用所有等待執行緒)
(4)清除條件變數:destroy;無執行緒等待,否則返回EBUSY
對於
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);
一定要在mutex的鎖定區域內使用。
如果要正確的使用pthread_mutex_lock與pthread_mutex_unlock，請參考
pthread_cleanup_push和pthread_cleanup_pop巨集，它能夠線上程被cancel的時候正確的釋放mutex！
另外，posix1標準說，pthread_cond_signal與pthread_cond_broadcast無需考慮呼叫執行緒是否是mutex的擁有者，也就是說，可以在lock與unlock以外的區域呼叫。如果我們對呼叫行為不關心，那麼請在lock區域之外呼叫吧。
說明：
(1)pthread_cond_wait 自動解鎖互斥量(如同執行了pthread_unlock_mutex)，並等待條件變數觸發。這時執行緒掛起，不佔用CPU時間，直到條件變數被觸發（變數為ture）。在呼叫 pthread_cond_wait之前，應用程式必須加鎖互斥量。pthread_cond_wait函式返回前，自動重新對互斥量加鎖(如同執行了pthread_lock_mutex)。
(2)互斥量的解鎖和在條件變數上掛起都是自動進行的。因此，在條件變數被觸發前，如果所有的執行緒都要對互斥量加鎖，這種機制可保證線上程加鎖互斥量和進入等待條件變數期間，條件變數不被觸發。條件變數要和互斥量相聯結，以避免出現條件競爭——個執行緒預備等待一個條件變數，當它在真正進入等待之前，另一個執行緒恰好觸發了該條件（條件滿足訊號有可能在測試條件和呼叫pthread_cond_wait函式（block）之間被髮出，從而造成無限制的等待）。
(3)pthread_cond_timedwait 和 pthread_cond_wait 一樣，自動解鎖互斥量及等待條件變數，但它還限定了等待時間。如果在abstime指定的時間內cond未觸發，互斥量mutex被重新加鎖，且pthread_cond_timedwait返回錯誤 ETIMEDOUT。abstime 引數指定一個絕對時間，時間原點與 time 和 gettimeofday相同：abstime = 0 表示 1970年1月1日00:00:00 GMT。
(4)pthread_cond_destroy 銷燬一個條件變數，釋放它擁有的資源。進入 pthread_cond_destroy 之前，必須沒有在該條件變數上等待的執行緒。
(5)條件變數函式不是非同步訊號安全的，不應當在訊號處理程式中進行呼叫。特別要注意，如果在訊號處理程式中呼叫 pthread_cond_signal 或pthread_cond_boardcast 函式，可能導致呼叫執行緒死鎖。
示例程式1
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include "stdlib.h"
#include "unistd.h"
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;
void hander(void *arg)
{
free(arg);
(void)pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
void *thread1(void *arg)
{
pthread_cleanup_push(hander, &mutex);
while(1)
{
printf("thread1 is running\n");
pthread_mutex_lock(&mutex);
pthread_cond_wait(&cond,&mutex);
printf("thread1 applied the condition\n");
pthread_mutex_unlock(&mutex);
sleep(4);
}
pthread_cleanup_pop(0);
}
void *thread2(void *arg)
{
while(1)
{
printf("thread2 is running\n");
pthread_mutex_lock(&mutex);
pthread_cond_wait(&cond,&mutex);
printf("thread2 applied the condition\n");
pthread_mutex_unlock(&mutex);
sleep(1);
}
}
int main()
{
pthread_t thid1,thid2;
printf("condition variable study!\n");
pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
pthread_cond_init(&cond,NULL);
pthread_create(&thid1,NULL,thread1,NULL);
pthread_create(&thid2,NULL,thread2,NULL);
sleep(1);
do
{
pthread_cond_signal(&cond);
}while(1);
sleep(20);
pthread_exit(0);
return 0;
}
示例程式2：
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
static pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
static pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
struct node
{
int n_number;
struct node *n_next;
} *head = NULL;
/*[thread_func]*/
static void cleanup_handler(void *arg)
{
printf("Cleanup handler of second thread./n");
free(arg);
(void)pthread_mutex_unlock(&mtx);
}
static void *thread_func(void *arg)
{
struct node *p = NULL;
pthread_cleanup_push(cleanup_handler, p);
while (1)
{
//這個mutex主要是用來保證pthread_cond_wait的併發性
pthread_mutex_lock(&mtx);
while (head == NULL)
{
//這個while要特別說明一下，單個pthread_cond_wait功能很完善，為何
//這裡要有一個while (head == NULL)呢？因為pthread_cond_wait裡的線
//程可能會被意外喚醒，如果這個時候head != NULL，則不是我們想要的情況。
//這個時候，應該讓執行緒繼續進入pthread_cond_wait
// pthread_cond_wait會先解除之前的pthread_mutex_lock鎖定的mtx，
//然後阻塞在等待對列裡休眠，直到再次被喚醒（大多數情況下是等待的條件成立
//而被喚醒，喚醒後，該程序會先鎖定先pthread_mutex_lock(&mtx);，再讀取資源
//用這個流程是比較清楚的/*block-->unlock-->wait() return-->lock*/
pthread_cond_wait(&cond, &mtx);
p = head;
head = head->n_next;
printf("Got %d from front of queue/n", p->n_number);
free(p);
}
pthread_mutex_unlock(&mtx); //臨界區資料操作完畢，釋放互斥鎖
}
pthread_cleanup_pop(0);
return 0;
}
int main(void)
{
pthread_t tid;
int i;
struct node *p;
//子執行緒會一直等待資源，類似生產者和消費者，但是這裡的消費者可以是多個消費者，而
//不僅僅支援普通的單個消費者，這個模型雖然簡單，但是很強大
pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
sleep(1);
for (i = 0; i < 10; i++)
{
p = (struct node*)malloc(sizeof(struct node));
p->n_number = i;
pthread_mutex_lock(&mtx); //需要操作head這個臨界資源，先加鎖，
p->n_next = head;
head = p;
pthread_cond_signal(&cond);
pthread_mutex_unlock(&mtx); //解鎖
sleep(1);
}
printf("thread 1 wanna end the line.So cancel thread 2./n");
//關於pthread_cancel，有一點額外的說明，它是從外部終止子執行緒，子執行緒會在最近的取消點，退出
//執行緒，而在我們的程式碼裡，最近的取消點肯定就是pthread_cond_wait()了。
pthread_cancel(tid);
pthread_join(tid, NULL);
printf("All done -- exiting/n");
return 0;
}
3）訊號量
如同程序一樣，執行緒也可以通過訊號量來實現通訊，雖然是輕量級的。
訊號量函式的名字都以"sem_"打頭。執行緒使用的基本訊號量函式有四個。
#include
int sem_init (sem_t *sem , int pshared, unsigned int value);
這是對由sem指定的訊號量進行初始化，設定好它的共享選項（linux 只支援為0，即表示它是當前程序的區域性訊號量），然後給它一個初始值VALUE。
兩個原子操作函式：
int sem_wait(sem_t *sem);
int sem_post(sem_t *sem);這兩個函式都要用一個由sem_init呼叫初始化的訊號量物件的指標做引數。
sem_post：給訊號量的值加1；
sem_wait:給訊號量減1；對一個值為0的訊號量呼叫sem_wait,這個函式將會等待直到有其它執行緒使它不再是0為止。
int sem_destroy(sem_t *sem);
這個函式的作用是再我們用完訊號量後都它進行清理。歸還自己佔有的一切資源。
示例程式碼：
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <errno.h>
#define return_if_fail(p) if((p) == 0){printf ("[%s]:func error!/n", __func__);return;}
typedef struct _PrivInfo
{
sem_t s1;
sem_t s2;
time_t end_time;
}PrivInfo;
static void info_init (PrivInfo* thiz);
static void info_destroy (PrivInfo* thiz);
static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz);
static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz);
int main (int argc, char** argv)
{
pthread_t pt_1 = 0;
pthread_t pt_2 = 0;
int ret = 0;
PrivInfo* thiz = NULL;
thiz = (PrivInfo* )malloc (sizeof (PrivInfo));
if (thiz == NULL)
{
printf ("[%s]: Failed to malloc priv./n");
return -1;
}
info_init (thiz);
ret = pthread_create (&pt_1, NULL, (void*)pthread_func_1, thiz);
if (ret != 0)
{
perror ("pthread_1_create:");
}
ret = pthread_create (&pt_2, NULL, (void*)pthread_func_2, thiz);
if (ret != 0)
{
perror ("pthread_2_create:");
}
pthread_join (pt_1, NULL);
pthread_join (pt_2, NULL);
info_destroy (thiz);
return 0;
}
static void info_init (PrivInfo* thiz)
{
return_if_fail (thiz != NULL);
thiz->end_time = time(NULL) + 10;
sem_init (&thiz->s1, 0, 1);
sem_init (&thiz->s2, 0, 0);
return;
}
static void info_destroy (PrivInfo* thiz)
{
return_if_fail (thiz != NULL);
sem_destroy (&thiz->s1);
sem_destroy (&thiz->s2);
free (thiz);
thiz = NULL;
return;
}
static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz)
{
return_if_fail (thiz != NULL);
while (time(NULL) < thiz->end_time)
{
sem_wait (&thiz->s2);
printf ("pthread1: pthread1 get the lock./n");
sem_post (&thiz->s1);
printf ("pthread1: pthread1 unlock/n");
sleep (1);
}
return;
}
static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz)
{
return_if_fail (thiz != NULL);
while (time (NULL) < thiz->end_time)
{
sem_wait (&thiz->s1);
printf ("pthread2: pthread2 get the unlock./n");
sem_post (&thiz->s2);
printf ("pthread2: pthread2 unlock./n");
sleep (1);
}
return;
}
通過執行結果後，可以看出，會先執行執行緒二的函式，然後再執行執行緒一的函式。它們兩就實現了同步。在上大學的時候，雖然對這些概念知道，可都沒有實踐過，所以有時候時間一久就會模糊甚至忘記，到了工作如果還保持這麼一種狀態，那就太可怕了。雖然現在外面的技術在不斷的變化更新，可是不管怎麼變，其核心技術還是依舊的，所以我們必須要打好自己的基礎，再學習其他新的知識，那時候再學新的知識也會覺得比較簡單的。訊號量程式碼摘自http://blog.csdn.net/wtz1985/article/details/3835781
參考：
【1】 http://www.cnblogs.com/feisky/archive/2009/11/12/1601824.html
【2】 http://www.cnblogs.com/mydomain/archive/2011/07/10/2102147.html
【3】 執行緒函式介紹
http://www.unix.org/version2/whatsnew/threadsref.html
【4】 http://www.yolinux.com/TUTORIALS/LinuxTutorialPosixThreads.html
【5】 執行緒常用函式簡介
http://www.rosoo.net/a/201004/8954.html
【6】 條件變數
http://blog.csdn.net/hiflower/article/details/2195350
【7】條件變數函式說明
http://blog.csdn.net/hairetz/article/details/4535920
本文來自博文：
http://www.cnblogs.com/mydomain/archive/2011/08/14/2138455.html