NPTL 线程同步方式

  NPTL提供了互斥体 pthread_mutex_t 类型进行线程同步,防止由于多线程并发对全局变量造成的不正确操作。使用 pthread_mutext_t 对数据进行保护已经可以实现基本的数据同步,NPTL又提供了pthread_cond_t 条件变量与pthread_mutext_t一起使用实现高效的线程同步保护数据。有了互斥变量pthread_mutext_t为什么还要引入条件变量pthread_cond_t呢? 原因就是防止CPU空转,一个线程获得互斥量之后,另外一个线程如果想获取该互斥量,就会不断的去查询这个互斥量是否已经空闲可以被自己占用,于是浪费了CPU周期。引入条件变量pthread_cond_t之后,如果条件不满足,线程进入睡眠状态,不会浪费CPU周期。

  NPTL进行线程同步的一般结构如下:

thread 1:
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while (!condition)
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
    /* 实际操作,修改condition为无效 */
    pthread_mutex_unlock(&mutex);

thread2:
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    /* 实际操作,修改condition为有效 */
    pthread_cond_signal(&cond);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);

  标准代码结构是像上面这样,针对上面的结构提几个问题?

  1. 为什么要将pthread_cond_wait 放在while(!condition)循环内呢,为什么要有while(!condition)的存在呢?

    2. pthread_cond_t 为什么要和 pthread_mutex_t 一起使用呢,使用pthread_cond_signal的线程不使用pthread_mutext 行不行? 

 

  在回答上面的问题之前先介绍一下最核心的pthread_cond_wait(&cond, &mutex)在不同情况下都会干些什么。

  1. 程序运行到pthread_cond_wait() 条件发生,代码继续向下执行。

  2. 程序运行到pthread_cond_wait() 条件未发生,函数调用首先会释放mutex(打开锁),并使当前线程进入睡眠状态。

  3. 睡眠在pthread_cond_wait()上的线程被signal唤醒,pthread_cond_wait()首先去获得锁(尝试重新获得该mutex直到获得)。

 

  pthread_cond_wait()的行为为下面的讨论做一个铺垫。现在来考虑回答上面的问题,我们可以从多线程乱序执行做为切入点,thread1 有可能比thread2 先执行,thread2 也有可能比thread1先执行。

  1.首先考虑,如果thread2先执行并且已经执行到 pthread_cond_signal() 但是thread1甚至都还没有运行,更别说进入到pthread_cond_wait()状态,这时候没有 while(!condition) 会怎么样?

    显然thread2已经发送了singal了,但是没有接收者,此时出现了丢信号的情况,即如果没有 while(!condition) 当thread1进入到pthread_cond_wait()的时候就会睡眠,唤醒信号丢失的情况发生,在这种情况下如果有 while(!condition) 的存在则不会执行pthread_cond_wait() 直接执行下面的代码。

    那么用 if(!condtion) 不是也可以解决上面的问题吗? 不错是可以解决上面的问题,但是会带来新的问题。考虑这种情况:如果signal同时唤醒了多个wait在该条件上的线程(pthread_cond_broadcast 或者出现传说中的“惊群”效应),那使用if(!condtion) 就是不行的。 这是因为,各个多个被唤醒的线程肯定会有一个会先进入被这个mutex保护的临界区(回忆上面介绍的pthread_cond_wait()函数在线程醒来之前会尝试去持有锁直到持有为止),Linux上规定是低优先级的线程先获得该mutex,然后进行了操作,并修改了condition变量,释放了mutex,此时另一个正在睡眠中但同时也在尝试获取该mutex的线程被唤醒,然后直接就向下执行,此时就会导致多线程同步失败。如果使用while(!condtion)再次进行检查则不会出现同步失败的问题。      

  2.第二个问题相对简单,如果cond不和mutex一起使用,那么任何可以访问cond的线程都可能唤醒睡眠在某个mutex上的线程,所以需要mutex对cond的保护,以确保有资格的线程才能对某个线程进行唤醒操作。

  理解条件变量的关键还是需要理解pthread_cond_wait()都干了些什么!

   

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