Linux 執行緒同步的三種方法
阿新 • • 發佈：2019-01-27
序
執行緒的最大特點是資源的共享性，但資源共享中的同步問題是多執行緒程式設計的難點。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。
一、互斥鎖(mutex)
通過鎖機制實現執行緒間的同步。初始化鎖。在Linux下，執行緒的互斥量資料型別是pthread_mutex_t。在使用前,要對它進行初始化。
靜態分配：pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
動態分配：int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutex_attr_t *mutexattr);
加鎖。對共享資源的訪問，要對互斥量進行加鎖，如果互斥量已經上了鎖，呼叫執行緒會阻塞，直到互斥量被解鎖。
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
解鎖。在完成了對共享資源的訪問後，要對互斥量進行解鎖。
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
銷燬鎖。鎖在是使用完成後，需要進行銷燬以釋放資源。
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex *mutex);
#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
二、條件變數(cond)
互斥鎖不同，條件變數是用來等待而不是用來上鎖的。條件變數用來自動阻塞一個執行緒，直到某特殊情況發生為止。通常條件變數和互斥鎖同時使用。條件變數分為兩部分: 條件和變數。條件本身是由互斥量保護的。執行緒在改變條件狀態前先要鎖住互斥量。條件變數使我們可以睡眠等待某種條件出現。條件變數是利用執行緒間共享的全域性變數進行同步的一種機制，主要包括兩個動作：一個執行緒等待"條件變數的條件成立"而掛起；另一個執行緒使"條件成立"（給出條件成立訊號）。條件的檢測是在互斥鎖的保護下進行的。如果一個條件為假，一個執行緒自動阻塞，並釋放等待狀態改變的互斥鎖。如果另一個執行緒改變了條件，它發訊號給關聯的條件變數，喚醒一個或多個等待它的執行緒，重新獲得互斥鎖，重新評價條件。如果兩程序共享可讀寫的記憶體，條件變數可以被用來實現這兩程序間的執行緒同步。
初始化條件變數。
靜態態初始化，pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIER;
動態初始化，int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr);
等待條件成立。釋放鎖,同時阻塞等待條件變數為真才行。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)
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);
啟用條件變數。pthread_cond_signal,pthread_cond_broadcast（啟用所有等待執行緒）
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
清除條件變數。無執行緒等待,否則返回EBUSY
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
#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; }
#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;
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
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;
}
三、訊號量(sem)
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。
訊號量初始化。
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。
等待訊號量。給訊號量減1，然後等待直到訊號量的值大於0。
int sem_wait(sem_t *sem);
釋放訊號量。訊號量值加1。並通知其他等待執行緒。
int sem_post(sem_t *sem);
銷燬訊號量。我們用完訊號量後都它進行清理。歸還佔有的一切資源。
int sem_destroy(sem_t *sem);
#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;
}