LinuxC高階程式設計——執行緒間同步
LinuxC高階程式設計——執行緒間同步
宗旨：技術的學習是有限的，分享的精神是無限的。
1、 互斥鎖mutex
多個執行緒同時訪問共享資料時可能會衝突。對於多執行緒的程式，訪問衝突的問題是很普遍的，解決的辦法是引入互斥鎖（Mutex， Mutual Exclusive Lock），獲得鎖的執行緒可以完成“讀-修改-寫”的操作，然後釋放鎖給其它執行緒，沒有獲得 鎖的執行緒只能等待而不能訪問共享資料，這樣“讀-修改-寫”三步操作組成一個原子操作，要麼都執行，要麼都不執行，不會執行到中間被打斷，也不會在其它處理器上並行做這個操作。Mutex用pthread_mutex_t型別的變量表示，可以這樣初始化和銷燬：
#include<pthread.h>
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,constpthread_mutexattr_t *restrict attr);
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;返回值：成功返回0，失敗返回錯誤號。
pthread_mutex_init函式對Mutex做初始化，引數attr設定Mutex的屬性，如果attr為NULL則表示預設屬性，用pthread_mutex_init函 數初始化的Mutex可以用pthread_mutex_destroy銷燬。如果Mutex變數是靜態分配的（全域性變數 或static變數），也可以用巨集定義PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER來初始化，相當於用pthread_mutex_init初始化並且attr引數為NULL。 Mutex的加鎖和解鎖操作可以用下列函式：
#include<pthread.h>
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);返回值：成功返回0，失敗返回錯誤號。
一個執行緒可以呼叫pthread_mutex_lock獲得Mutex，如果這時另一個執行緒已經呼叫pthread_mutex_lock獲得了該Mutex，則當前執行緒需要掛起等待，直到另一個執行緒呼叫pthread_mutex_unlock釋放Mutex，當前執行緒被喚醒，才能獲得該Mutex並繼續執行。 如果一個執行緒既想獲得鎖，又不想掛起等待，可以呼叫pthread_mutex_trylock，如果Mutex已經被另一個執行緒獲得，這個函式會失敗返回EBUSY，而不會使執行緒掛起等待。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#define NLOOP 5000
int counter; /* incremented by threads */
pthread_mutex_t counter_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void *doit(void *);
int main(int argc, char **argv)
{
pthread_t tidA, tidB;
pthread_create(&tidA, NULL, doit, NULL);
pthread_create(&tidB, NULL, doit, NULL);
/* wait for both threads to terminate */
pthread_join(tidA, NULL);
pthread_join(tidB, NULL);
return 0;
}
void *doit(void *vptr)
{
int i, val;
for (i = 0; i < NLOOP; i++)
{
pthread_mutex_lock(&counter_mutex);
val = counter;
printf("%x: %d\n", (unsigned int)pthread_self(), val + 1);
counter = val + 1;
pthread_mutex_unlock(&counter_mutex);
}
return NULL;
}2、 條件變數
執行緒A需要等某個條件成立才能繼續往下執行，現在這個條件不成立，執行緒A就阻塞等待，而執行緒B在執行過程中使這個條件成立了，就喚醒執行緒A繼續執行。 在pthread庫中通過條件變數（Condition Variable） 來阻塞等待一個條件，或者喚醒等待這個條件的執行緒。 Condition Variable用pthread_cond_t型別的變量表示，可以這樣初始化和銷燬：
#include <pthread.h>
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t*restrict attr);
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;返回值：成功返回0，失敗返回錯誤號。
和Mutex的初始化和銷燬類似，pthread_cond_init函式初始化一個Condition Variable， attr引數 為NULL則表示預設屬性， pthread_cond_destroy函式銷燬一個Condition Variable。如果Condition Variable是靜態分配的，也可以用巨集定義PTHEAD_COND_INITIALIZER初始化，相當於 用pthread_cond_init函式初始化並且attr引數為NULL。 Condition Variable的操作可以用下列函式：
#include <pthread.h>
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t*restrict mutex,
const struct timespec *restrict abstime);
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrictmutex);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);返回值：成功返回0，失敗返回錯誤號。 可見，一個ConditionVariable總是和一個Mutex搭配使用的。一個執行緒可以調 用pthread_cond_wait在一個Condition Variable上阻塞等待，這個函式做以下三步操作：
1. 釋放Mutex 2. 阻塞等待 3. 當被喚醒時，重新獲得Mutex並返回.
pthread_cond_timedwait函式還有一個額外的引數可以設定等待超時，如果到達了abstime所指定的 時刻仍然沒有別的執行緒來喚醒當前執行緒，就返回ETIMEDOUT。一個執行緒可以調 用pthread_cond_signal喚醒在某個Condition Variable上等待的另一個執行緒，也可以呼叫pthread_cond_broadcast喚醒在這個Condition Variable上等待的所有執行緒。
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
struct msg
{
struct msg *next;
int num;
};
struct msg *head;
pthread_cond_t has_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void *consumer(void *p)
{
struct msg *mp;
for (;;)
{
pthread_mutex_lock(&lock);
while (head == NULL)
{
pthread_cond_wait(&has_product, &lock);
}
mp = head;
head = mp->next;
pthread_mutex_unlock(&lock);
printf("Consume %d\n", mp->num);
free(mp);
sleep(rand() % 5);
}
}
void *producer(void *p)
{
struct msg *mp;
for (;;)
{
mp = malloc(sizeof(struct msg));
mp->num = rand() % 1000 + 1;
printf("Produce %d\n", mp->num);
pthread_mutex_lock(&lock);
mp->next = head;
head = mp;
pthread_mutex_unlock(&lock);
pthread_cond_signal(&has_product);
sleep(rand() % 5);
}
}
int main(int argc, char *argv[])
{
pthread_t pid, cid;
srand(time(NULL));
pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);
pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);
pthread_join(pid, NULL);
pthread_join(cid, NULL);
return 0;
}3、 訊號量
Mutex變數是非0即1的，可看作一種資源的可用數量，初始化時Mutex是1，表示有一個可用資源，加鎖時獲得該資源，將Mutex減到0，表示不再有可用資源，解鎖時釋放該資源，將Mutex重新加到1，表示又有了一個可用資源。訊號量（Semaphore）和Mutex類似，表示可用資源的數量，和Mutex不同的是這個數量可以大於1.
#include <semaphore.h>
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
int sem_wait(sem_t *sem);
int sem_trywait(sem_t *sem);
int sem_post(sem_t * sem);
int sem_destroy(sem_t * sem);semaphore變數的型別為sem_t， sem_init()初始化一個semaphore變數， value引數表示可用資源 的數量， pshared引數為0表示訊號量用於同一程序的執行緒間同步，本節只介紹這種情況。在用 完semaphore變數之後應該呼叫sem_destroy()釋放與semaphore相關的資源。 呼叫sem_wait()可以獲得資源，使semaphore的值減1，如果呼叫sem_wait()時semaphore的值已 經是0，則掛起等待。如果不希望掛起等待，可以呼叫sem_trywait()。呼叫sem_post()可以釋放資 源，使semaphore的值加1，同時喚醒掛起等待的執行緒。
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <semaphore.h>
#define NUM 5
int queue[NUM];
sem_t blank_number, product_number;
void *producer(void *arg)
{
int p = 0;
while (1)
{
sem_wait(&blank_number);
queue[p] = rand() % 1000 + 1;
printf("Produce %d\n", queue[p]);
sem_post(&product_number);
p = (p + 1) % NUM;
sleep(rand() % 5);
}
}
void *consumer(void *arg)
{
int c = 0;
while (1)
{
sem_wait(&product_number);
printf("Consume %d\n", queue[c]);
queue[c] = 0;
sem_post(&blank_number);
c = (c + 1) % NUM;
sleep(rand() % 5);
}
}
int main(int argc, char *argv[])
{
pthread_t pid, cid;
sem_init(&blank_number, 0, NUM);
sem_init(&product_number, 0, 0);
pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);
pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);
pthread_join(pid, NULL);
pthread_join(cid, NULL);
sem_destroy(&blank_number);
sem_destroy(&product_number);
return 0;
}