pthread_mutex_t 和 pthread_cond_t 配合使用的简要分析

1.原理

假设有两个线程同时访问一个全局变量 n，这个全局变量的初始值等于0。

Int  n = 0 ;

         消费者线程 A 进入临界区，访问 n，A 必须等到 n 大于 0 才能接着往下执行，如果 n== 0，那么 A 将一直等待。

         还有一个生产者线程 B，B 进入临界区，修改 n 的值，使得 n >0，当 n > 0 时，B 通知等待 n > 0 的消费者线程A。A 被 B 通知之后就可以接着往下执行了。

 

         以上情况造成死锁：

         当 A 进入临界区时，其他线程不能进入临界区，意味着 B 没有机会去修改 n， n 的值一直为 0，不满足A 继续执行的条件（n > 0），A 只能一直等待。

         消费者进程拿到互斥锁 --> 进入临界区 --> 发现共享资源 n 不满足继续执行的条件（n> 0） --> 等待 n > 0

         消费者进程占有互斥锁 --> 生产者进程无法进入临界区 --> 无法修改 n 的值 --> 生产者等待消费者释放互斥锁

         解决死锁的方案就是采用条件变量。

         通常情况下，对共享资源（比如 n）保护要用到锁操作，当一个进程进入临界区时会拿到互斥锁（lock 操作），然后其他进程拿不到互斥锁，也就无法进入临界区，因此当进程进入临界区，发现共享资源不满足继续向下执行的条件（n > 0）时，就应该释放锁，让其他进程修改共享资源，以满足自己所需的执行条件。

消费者进入临界区 --> 共享变量不满足继续向下执行的条件 --> 消费者等待在条件变量 --> 释放互斥锁 --> 生产者进入临界区 --> 修改条件变量 --> 生产者通知消费者：现在有多的资源了，快来使用 --> 消费者再次拿互斥锁 --> 消费资源 --> 释放互斥锁。如果有多个消费者进程等待在条件变量上，就可以形成等待队列。

生产者和消费者模型中互斥锁和条件变量的使用流程图如下，其中蓝色代表消费者的执行流，红色是生产者的执行流。

 

 

2.使用方法

         条件变量的使用主要有以下五个函数：

/* 初始化一个条件变量 */
int pthread_cond_init (pthread_cond_t* cond, pthread_condattr_t *cond_attr);
 
/* 销毁一个条件变量 */
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t* cond);
 
/* 令一个消费者等待在条件变量上 */
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t* cond);
 
/* 生产者通知等待在条件变量上的消费者 */
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t* cond);
 
/* 生产者向消费者广播消息 */
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t* cond);

        

 

消费者等待条件的伪代码：

pthread_mutex_lock(&mutex); // 拿到互斥锁，进入临界区
while( 条件为假)
	pthread_cond_wait(cond, mutex); // 令进程等待在条件变量上
修改条件
pthread_mutex_unlock(&mutex); // 释放互斥锁

 

生产者通知消费者的伪代码：

pthread_mutex_lock(&mutex); // 拿到互斥锁，进入临界区
设置条件为真
pthread_cond_signal(cond); // 通知等待在条件变量上的消费者
pthread_mutex_unlock(&mutex); // 释放互斥锁

 

以下是示例程序，演示了互斥锁和条件变量配合使用方法，由于是在Linux下写的程序，所以注释全是英文的。

condition_test.c：

/***************************************************************
*  Copyright (C) 2016 chengonghao
*  All rights reserved.
*
*  [email protected]
***************************************************************/
#include 
#include 

#define CONSUMERS_COUNT 2	
#define PRODUCERS_COUNT 1

pthread_mutex_t g_mutex ;
pthread_cond_t g_cond ;

pthread_t g_thread[CONSUMERS_COUNT + PRODUCERS_COUNT] ;
int share_variable = 0 ;// this is the share variable, shared by consumer and producer

void* consumer( void* arg )
{
   int num = (int)arg ;
   while ( 1 ) 
   {
      /******* critical section begin *******/
      pthread_mutex_lock( &g_mutex ) ;

      // if share_variable == 0, means consumer shell stop here
      while ( share_variable == 0 )
      {
         printf( "consumer %d begin wait a condition...\n", num ) ;
         // put a thread blocked ont a condition variable( here is g_cond),
         // and unlock the mutex( here is g_mutex )
         pthread_cond_wait( &g_cond, &g_mutex ) ;
      }
      // here means n != 0 and consumer can goes on
      // consumer consumed shared variable, so the number of shared variable shell minus
      printf( "consumer %d end wait a condition...\n", num ) ;
      printf( "consumer %d begin consume product\n", num ) ;
      -- share_variable ;

      pthread_mutex_unlock( &g_mutex ) ;
      /******** critial section end *********/
      sleep( 1 ) ;
   }
   
   return NULL ;
}

void* producer( void* arg )
{
   int num = (int)arg ;
   while ( 1 )
   {
      /******* critical section begin *******/
      pthread_mutex_lock( &g_mutex ) ;

      // produce a shared variable
      printf( "producer %d begin produce product...\n", num ) ;
      ++ share_variable ;
      printf( "producer %d end produce product...\n", num ) ;
      // unblock threads blocked on a condition variable( here is g_cond )
      pthread_cond_signal( &g_cond ) ;
      printf( "producer %d notified consumer by condition variable...\n", num ) ;
      pthread_mutex_unlock( &g_mutex ) ;

      /******** critial section end *********/
      sleep( 5 ) ;
   }
   
   return 1 ;
}


int main( void )
{
   // initiate mutex
   pthread_mutex_init( &g_mutex, NULL ) ;
   // initiate condition
   pthread_cond_init( &g_cond, NULL ) ;

   // initiate consumer threads
   for ( int i = 0; i < CONSUMERS_COUNT; ++ i )
   {
      pthread_create( &g_thread[i], NULL, consumer, (void*)i ) ;
   }
   sleep( 1 ) ;
   // initiate producer threads
   for ( int i = 0; i < PRODUCERS_COUNT; ++ i )
   {
      pthread_create( &g_thread[i], NULL, producer, (void*)i ) ;
   }
   for ( int i = 0; i < CONSUMERS_COUNT + PRODUCERS_COUNT; ++ i ) 
   {
      pthread_join( g_thread[i], NULL ) ;
   }

   pthread_mutex_destroy( &g_mutex ) ;
   pthread_cond_destroy( &g_cond ) ;
}

 

编译程序：

cgh@ubuntu:~/condition_test$ gcc condition_test.c -o test –lpthread

运行程序：

1.      第一个框，消费者 1 和0 发现share_variable == 0，于是先后等待在条件变量上；

2.      第二个框，生产者 0 开始生产共享变量，即 ++ share_variable，然后通知等待在条件变量上的消费者；

3.      第三个框，消费者 1 被生产者唤醒，开始消费共享变量，即– share_variable；

4.      第四个框，生产者 0 继续生产共享变量，++ share_variable，然后通知等待在条件变量上的消费者；

5.      第五个框，消费者 0 被唤醒，开始消费共享变量，即– share_variable；

以此类推，以上描述简化了拿锁和释放锁的过程，可以结合上面的流程图来理解代码。