linux系统线程进阶

线程同步

同步即协同步调，按预定的先后次序运行。
线程同步，指一个线程发出某一功能调用时，在没有得到结果之前，该调用不返回。同时其它线程为保证数据一致性，不能调用该功能。
“同步”的目的，是为了避免数据混乱，解决与时间有关的错误。实际上，不仅线程间需要同步，进程间、信号间等等都需要同步机制。
因此，所有“多个控制流，共同操作一个共享资源”的情况，都需要同步。

数据混乱原因：

	1. 资源共享（独享资源则不会）	
2. 调度随机（意味着数据访问会出现竞争）	
3. 线程间缺乏必要的同步机制。

互斥量mutex

Linux中提供一把互斥锁mutex（也称之为互斥量）。
每个线程在对资源操作前都尝试先加锁，成功加锁才能操作，操作结束解锁。
	资源还是共享的，线程间也还是竞争的，							
	但通过“锁”就将资源的访问变成互斥操作，而后与时间有关的错误也不会再产生了。

主要应用函数：

pthread_mutex_init函数
pthread_mutex_destroy函数
pthread_mutex_lock函数	阻塞
pthread_mutex_trylock函数 	非阻塞
pthread_mutex_unlock函数

以上5个函数的返回值都是：成功返回0， 失败返回错误号。	
pthread_mutex_t 类型，其本质是一个结构体。为简化理解，应用时可忽略其实现细节，简单当成整数看待。
pthread_mutex_t mutex; 变量mutex只有两种取值1、0。

pthread_mutex_init函数

初始化一个互斥锁(互斥量) ---> 初值可看作1
	int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
	参1：传出参数，调用时应传 &mutex	
			注：restrict关键字：只用于限制指针，告诉编译器，所有修改该指针指向内存中内容的操作，只能通过本指针完成。不能通过除本指针以外的其他变量或指针修改
	参2：互斥量属性。是一个传入参数，通常传NULL，选用默认属性(线程间共享)。 参APUE.12.4同步属性
1.	静态初始化：如果互斥锁 mutex 是静态分配的（定义在全局，或加了static关键字修饰），可以直接使用宏进行初始化。e.g.  pthead_mutex_t muetx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
2.	动态初始化：局部变量应采用动态初始化。e.g.  pthread_mutex_init(&mutex, NULL)

pthread_mutex_destroy函数

销毁一个互斥锁
	int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_lock函数

加锁。可理解为将mutex--（或-1 变为0）
	int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_unlock函数

解锁。可理解为将mutex ++（或+1）
	int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_trylock函数

尝试加锁
	int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

lock与unlock：

lock尝试加锁，如果加锁不成功，线程阻塞，阻塞到持有该互斥量的其他线程解锁为止。
unlock主动解锁函数，同时将阻塞在该锁上的所有线程全部唤醒，至于哪个线程先被唤醒，取决于优先级、调度。默认：先阻塞、先唤醒。

lock与trylock：

lock加锁失败会阻塞，等待锁释放。
trylock加锁失败直接返回错误号（如：EBUSY），不阻塞。

加锁步骤测试：

看如下程序：该程序是非常典型的，由于共享、竞争而没有加任何同步机制，导致产生于时间有关的错误，造成数据混乱：

#include 
#include 
#include 

void *tfn(void *arg)
{
    srand(time(NULL));
    while (1) {

        printf("hello ");
        sleep(rand() % 3);	/*模拟长时间操作共享资源，导致cpu易主，产生与时间有关的错误*/
        printf("world\n");
        sleep(rand() % 3);
    }
    return NULL;
}
int main(void)
{
    pthread_t tid;
    srand(time(NULL));
    pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
    while (1) {
        printf("HELLO ");
        sleep(rand() % 3);
        printf("WORLD\n");
        sleep(rand() % 3);
    }
    pthread_join(tid, NULL);
    return 0;
}

结论：
在访问共享资源前加锁，访问结束后立即解锁。锁的“粒度”应越小越好

死锁

1. 线程试图对同一个互斥量A加锁两次。
2. 线程1拥有A锁，请求获得B锁；线程2拥有B锁，请求获得A锁

读写锁状态

一把读写锁具备三种状态：
1. 读模式下加锁状态 (读锁)
2. 写模式下加锁状态 (写锁)
3. 不加锁状态

读写锁特性：

1.	读写锁是“写模式加锁”时， 解锁前，所有对该锁加锁的线程都会被阻塞。
2.	读写锁是“读模式加锁”时， 如果线程以读模式对其加锁会成功；如果线程以写模式加锁会阻塞。
3.	读写锁是“读模式加锁”时， 既有试图以写模式加锁的线程，也有试图以读模式加锁的线程。那么读写锁会阻塞随后的读模式锁请求。优先满足写模式锁。读锁、写锁并行阻塞，写锁优先级高
读写锁也叫共享-独占锁。当读写锁以读模式锁住时，它是以共享模式锁住的；当它以写模式锁住时，它是以独占模式锁住的。写独占、读共享。
读写锁非常适合于对数据结构读的次数远大于写的情况。

主要应用函数：

pthread_rwlock_init函数
pthread_rwlock_destroy函数
pthread_rwlock_rdlock函数  
pthread_rwlock_wrlock函数
pthread_rwlock_tryrdlock函数
pthread_rwlock_trywrlock函数
pthread_rwlock_unlock函数
以上7 个函数的返回值都是：成功返回0， 失败直接返回错误号。	
pthread_rwlock_t类型	用于定义一个读写锁变量。
pthread_rwlock_t rwlock;

pthread_rwlock_init函数

初始化一把读写锁
	int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);
	参2：attr表读写锁属性，通常使用默认属性，传NULL即可。

pthread_rwlock_destroy函数

销毁一把读写锁
	int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

pthread_rwlock_rdlock函数

以读方式请求读写锁。（常简称为：请求读锁）
    int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

pthread_rwlock_wrlock函数

以写方式请求读写锁。（常简称为：请求写锁）
    int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

pthread_rwlock_unlock函数

解锁
	int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

pthread_rwlock_tryrdlock函数

非阻塞以读方式请求读写锁（非阻塞请求读锁）
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

pthread_rwlock_trywrlock函数

非阻塞以写方式请求读写锁（非阻塞请求写锁）
	int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

读写锁示例

看如下示例，同时有多个线程对同一全局数据读、写操作。

#include 
#include 
#include 

int counter;
pthread_rwlock_t rwlock;

/* 3个线程不定时写同一全局资源，5个线程不定时读同一全局资源 */
void *th_write(void *arg)
{
    int t, i = (int)arg;
    while (1) {
        pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
        t = counter;
        usleep(1000);
        printf("=======write %d: %lu: counter=%d ++counter=%d\n", i, pthread_self(), t, ++counter);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        usleep(10000);
    }
    return NULL;
}
void *th_read(void *arg)
{
    int i = (int)arg;

    while (1) {
        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
        printf("----------------------------read %d: %lu: %d\n", i, pthread_self(), counter);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        usleep(2000);
    }
    return NULL;
}
int main(void)
{
    int i;
    pthread_t tid[8];
    pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);

    for (i = 0; i < 3; i++)
        pthread_create(&tid[i], NULL, th_write, (void *)i);
    for (i = 0; i < 5; i++)
        pthread_create(&tid[i+3], NULL, th_read, (void *)i);
    for (i = 0; i < 8; i++)
        pthread_join(tid[i], NULL);

    pthread_rwlock_destroy(&rwlock);
    return 0;
}

条件变量：

条件变量本身不是锁！但它也可以造成线程阻塞。通常与互斥锁配合使用。给多线程提供一个会合的场所。

主要应用函数

pthread_cond_init函数
pthread_cond_destroy函数
pthread_cond_wait函数
pthread_cond_timedwait函数
pthread_cond_signal函数
pthread_cond_broadcast函数
以上6 个函数的返回值都是：成功返回0， 失败直接返回错误号。
pthread_cond_t类型	用于定义条件变量
pthread_cond_t cond;

pthread_cond_init函数

初始化一个条件变量
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);		
参2：attr表条件变量属性，通常为默认值，传NULL即可
也可以使用静态初始化的方法，初始化条件变量：
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

pthread_cond_destroy函数

销毁一个条件变量
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

pthread_cond_wait函数

阻塞等待一个条件变量
    int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);
函数作用：
1.	阻塞等待条件变量cond（参1）满足	
2.	释放已掌握的互斥锁（解锁互斥量）相当于pthread_mutex_unlock(&mutex);
 1.2.两步为一个原子操作。
3.	当被唤醒，pthread_cond_wait函数返回时，解除阻塞并重新申请获取互斥锁pthread_mutex_lock(&mutex);

pthread_cond_timedwait函数

限时等待一个条件变量
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime);
	参3：	参看man sem_timedwait函数，查看struct timespec结构体。
		struct timespec {
			time_t tv_sec;		/* seconds */ 秒
			long   tv_nsec;	/* nanosecondes*/ 纳秒
		}								
形参abstime：绝对时间。										
如：time(NULL)返回的就是绝对时间。而alarm(1)是相对时间，相对当前时间定时1秒钟。	
			struct timespec t = {1, 0};
			pthread_cond_timedwait (&cond, &mutex, &t); 只能定时到 1970年1月1日 00:00:01秒(早已经过去) 
		正确用法：
			time_t cur = time(NULL); 获取当前时间。
struct timespec t;	定义timespec 结构体变量t
			t.tv_sec = cur+1; 定时1秒
pthread_cond_timedwait (&cond, &mutex, &t); 传参				参APUE.11.6线程同步条件变量小节
		在讲解setitimer函数时我们还提到另外一种时间类型：
        struct timeval {
             time_t      tv_sec;  /* seconds */ 秒
             suseconds_t tv_usec; 	/* microseconds */ 微秒
        };

pthread_cond_signal函数

唤醒至少一个阻塞在条件变量上的线程
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

pthread_cond_broadcast函数

唤醒全部阻塞在条件变量上的线程
    int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

生产者消费者条件变量模型

线程同步典型的案例即为生产者消费者模型，而借助条件变量来实现这一模型，是比较常见的一种方法。假定有两个线程，一个模拟生产者行为，一个模拟消费者行为。两个线程同时操作一个共享资源（一般称之为汇聚），生产向其中添加产品，消费者从中消费掉产品。
看如下示例，使用条件变量模拟生产者、消费者问题：

#include 
#include 
#include 

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) {           //头指针为空,说明没有节点    可以为if吗
            pthread_cond_wait(&has_product, &lock);
        }
        mp = head;      
        head = mp->next;    			//模拟消费掉一个产品
        pthread_mutex_unlock(&lock);

        printf("-Consume ---%d\n", mp->num);
        free(mp);
        sleep(rand() % 5);
    }
}
void *producer(void *p)
{
    struct msg *mp;
    while (1) {
        mp = malloc(sizeof(struct msg));
        mp->num = rand() % 1000 + 1;        //模拟生产一个产品
        printf("-Produce ---%d\n", mp->num);

        pthread_mutex_lock(&lock);
        mp->next = head;
        head = mp;
        pthread_mutex_unlock(&lock);

        pthread_cond_signal(&has_product);  //将等待在该条件变量上的一个线程唤醒
        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;
}													

条件变量的优点：

相较于mutex而言，条件变量可以减少竞争。
如直接使用mutex，除了生产者、消费者之间要竞争互斥量以外，消费者之间也需要竞争互斥量，但如果汇聚（链表）中没有数据，消费者之间竞争互斥锁是无意义的。有了条件变量机制以后，只有生产者完成生产，才会引起消费者之间的竞争。提高了程序效率。

信号量

进化版的互斥锁（1 --> N）
由于互斥锁的粒度比较大，如果我们希望在多个线程间对某一对象的部分数据进行共享，使用互斥锁是没有办法实现的，只能将整个数据对象锁住。这样虽然达到了多线程操作共享数据时保证数据正确性的目的，却无形中导致线程的并发性下降。线程从并行执行，变成了串行执行。与直接使用单进程无异。
信号量，是相对折中的一种处理方式，既能保证同步，数据不混乱，又能提高线程并发。

信号量基本操作

sem_wait:	1. 信号量大于0，则信号量--		（类比pthread_mutex_lock）
	  |			2. 信号量等于0，造成线程阻塞
	对应
	  |
	sem_post：	将信号量++，同时唤醒阻塞在信号量上的线程	（类比pthread_mutex_unlock）
但，由于sem_t的实现对用户隐藏，所以所谓的++、--操作只能通过函数来实现，而不能直接++、--符号。
信号量的初值，决定了占用信号量的线程的个数。
sem_init函数
初始化一个信号量
	int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
	参1：sem信号量	
参2：pshared取0用于线程间；取非0（一般为1）用于进程间	
参3：value指定信号量初值

sem_destroy函数

销毁一个信号量
int sem_destroy(sem_t *sem);

sem_wait函数

给信号量加锁 -- 
int sem_wait(sem_t *sem);

sem_post函数

给信号量解锁 ++
 int sem_post(sem_t *sem);	

sem_trywait函数

尝试对信号量加锁 --	(与sem_wait的区别类比lock和trylock)
 int sem_trywait(sem_t *sem);	

sem_timedwait函数

限时尝试对信号量加锁 --
	int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);
	参2：abs_timeout采用的是绝对时间。			
	定时1秒：
		time_t cur = time(NULL); 获取当前时间。
struct timespec t;	定义timespec 结构体变量t
		t.tv_sec = cur+1; 定时1秒
		t.tv_nsec = t.tv_sec +100; 
sem_timedwait(&sem, &t); 传参

使用信号量完成线程间同步

/*信号量实现生产者消费者问题*/
#include 
#include                                                                                    
#include 
#include 
#include 
 
#define NUM 5
 
int queue[NUM]; //全局数组实现环形队列
sem_t blank_number, product_number; //空格子信号量，产品信号量
 
void *producer(void *arg)
{
    int i = 0;
    while(1) {
        sem_wait(&blank_number); //生产者将空格子数--，为0则阻塞等待
        queue[i] = rand() % 1000 + 1; //生产一个产品
        printf("----Produce----%d\n", queue[i]);
        sem_post(&product_number); //将产品数++
 
        i = (i+1) % NUM; //借助下标实现环形
        sleep(rand() % 3); 
    }   
    return NULL;
}
 
void *consumer(void *arg)
{
    int i = 0;
    while(1){
        sem_wait(&product_number); //消费者将产品数--，为0则阻塞等待
        printf("--Consume---%d\n", queue[i]);
        queue[i] = 0; //消费一个产品
        sem_post(&blank_number); //消费掉以后，将空格子数++
 
        i = (i+1) % NUM; //借助下标实现环形
        sleep(rand() % 3); 
    }   
    return NULL;
}
 
int main()
{
    pthread_t pid, cid;
 
    sem_init(&blank_number, 0, NUM); //初始化空格子信号量为5
    sem_init(&product_number, 0, 0); //产品数为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;
}

进程间同步

互斥量mutex

进程间也可以使用互斥锁，来达到同步的目的。但应在pthread_mutex_init初始化之前，修改其属性为进程间共享。mutex的属性修改函数主要有以下几个。

主要应用函数：

pthread_mutexattr_t mattr 类型：		用于定义mutex锁的【属性】
pthread_mutexattr_init函数：			初始化一个mutex属性对象
	int pthread_mutexattr_init(pthread_mutexattr_t *attr);
pthread_mutexattr_destroy函数：		销毁mutex属性对象 (而非销毁锁)
	int pthread_mutexattr_destroy(pthread_mutexattr_t *attr);
pthread_mutexattr_setpshared函数：	修改mutex属性。
	int pthread_mutexattr_setpshared(pthread_mutexattr_t *attr, int pshared);
	参2：pshared取值：
		线程锁：PTHREAD_PROCESS_PRIVATE (mutex的默认属性即为线程锁，进程间私有)
		进程锁：PTHREAD_PROCESS_SHARED

进程间mutex示例

进程间使用mutex来实现同步：
#include 
#include 
#include 
#include 

struct mt {
    int num;
    pthread_mutex_t mutex;
    pthread_mutexattr_t mutexattr;
};

int main(void)
{
    int fd, i;
    struct mt *mm;
    pid_t pid;

    fd = open("mt_test", O_CREAT | O_RDWR, 0777);
    ftruncate(fd, sizeof(*mm));
    mm = mmap(NULL, sizeof(*mm), PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    close(fd);
    unlink("mt_test");
    //mm = mmap(NULL, sizeof(*mm), PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANON, -1, 0);
    memset(mm, 0, sizeof(*mm));

    pthread_mutexattr_init(&mm->mutexattr);                                  //初始化mutex属性对象
    pthread_mutexattr_setpshared(&mm->mutexattr, PTHREAD_PROCESS_SHARED);    //修改属性为进程间共享
    pthread_mutex_init(&mm->mutex, &mm->mutexattr);                          //初始化一把mutex琐

    pid = fork();
    if (pid == 0) {
        for (i = 0; i < 10; i++) {
            pthread_mutex_lock(&mm->mutex);
            (mm->num)++;
            printf("-child----num++   %d\n", mm->num);
            pthread_mutex_unlock(&mm->mutex);
            sleep(1);
        }
    } else if (pid > 0) {
        for ( i = 0; i < 10; i++) {
            sleep(1);
            pthread_mutex_lock(&mm->mutex);
            mm->num += 2;
            printf("-parent---num+=2  %d\n", mm->num);
            pthread_mutex_unlock(&mm->mutex);
        }
        wait(NULL);
    }

    pthread_mutexattr_destroy(&mm->mutexattr);          //销毁mutex属性对象
    pthread_mutex_destroy(&mm->mutex);                //销毁mutex
    munmap(mm,sizeof(*mm));                          //释放映射区
    return 0;
}

文件锁

借助 fcntl函数来实现锁机制。	操作文件的进程没有获得锁时，可以打开，但无法执行read、write操作。
fcntl函数：	获取、设置文件访问控制属性。
	int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );
	参2：
		F_SETLK (struct flock *)	设置文件锁（trylock）
		F_SETLKW (struct flock *) 设置文件锁（lock）W --> wait
		F_GETLK (struct flock *)	获取文件锁
	参3：
        struct flock {
              ...
              short l_type;    	锁的类型：F_RDLCK 、F_WRLCK 、F_UNLCK
              short l_whence;  	偏移位置：SEEK_SET、SEEK_CUR、SEEK_END 
              off_t l_start;   		起始偏移：1000
              off_t l_len;     		长度：0表示整个文件加锁
              pid_t l_pid;     	持有该锁的进程ID：(F_GETLK only)
              ...
         };

进程间文件锁示例

多个进程对加锁文件进行访问： 													
#include 
#include 
#include 

void sys_err(char *str)
{
    perror(str); exit(1);
}
int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd;
    struct flock f_lock;

    if (argc < 2) {
        printf("./a.out filename\n"); exit(1);
    }
    if ((fd = open(argv[1], O_RDWR)) < 0)
        sys_err("open");

    //f_lock.l_type = F_WRLCK;        /*选用写琐*/
    f_lock.l_type = F_RDLCK;          /*选用读琐*/ 

    f_lock.l_whence = SEEK_SET;
    f_lock.l_start = 0;
    f_lock.l_len = 0;               /* 0表示整个文件加锁 */

    fcntl(fd, F_SETLKW, &f_lock);
    printf("get flock\n");
    sleep(10);

    f_lock.l_type = F_UNLCK;
    fcntl(fd, F_SETLKW, &f_lock);
    printf("un flock\n");

    close(fd);	 return 0;
}										

依然遵循“读共享、写独占”特性。但！如若进程不加锁直接操作文件，依然可访问成功，但数据势必会出现混乱。