linux网络编程之posix 线程（三）：posix 匿名信号量与互斥锁 示例生产者--消费者问题
一、posix 信号量
信号量的概念参见这里。前面也讲过system v 信号量，现在来说说posix 信号量。
system v 信号量只能用于进程间同步，而posix 信号量除了可以进程间同步，还可以线程间同步。system v 信号量每次PV操作可以是N，但Posix 信号量每次PV只能是1。除此之外，posix 信号量还有命名和匿名之分（man 7 sem_overview）：
1、命名信号量
名字以/somename 形式分辨，只能有一个/ ，且总长不能超过NAME_MAX - 4（一般是251）。
需要用sem_open 函数创建或打开，PV操作分别是sem_wait 和 sem_post，可以使用sem_close 关闭，删除用sem_unlink。
命名信号量用于不共享内存的进程间同步（内核实现），类似system v 信号量。
2、匿名信号量
存放在一块共享内存中，如果是线程共享，这块区域可以是全局变量；如果是进程共享，可以是system v 共享内存（shmget 创建，shmat 映射），也可以是 posix 共享内存（shm_open 创建，mmap 映射）。
匿名信号量必须用sem_init 初始化，sem_init 函数其中一个参数pshared决定了线程共享还是进程共享，也可以用sem_post 和sem_wait 进行操作，在共享内存释放前，匿名信号量要先用sem_destroy 销毁。
有关这些函数的具体参数可以man 一下。
二、互斥锁
对于多线程的程序，访问冲突的问题是很普遍的，解决的办法是引入互斥锁（Mutex，MutualExclusive Lock），获得锁的线程可以完成“读-修改-写”的操作，然后释放锁给其它线程，没有获得锁的线程只能等待而不能访问共享数据，这样“读-修改-写”三步操作组成一个原子操作，要么都执行，要么都不执行，不会执行到中间被打断，也不会在其它处理器上并行做这个操作。
Mutex用pthread_mutex_t类型的变量表示，pthread_mutex_init函数对Mutex做初始化，参数attr设定Mutex的属性，如果attr为NULL则表示缺省属性，具体看结构体：有人建议开发中总是设置 PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE 属性，避免死锁。
// 互斥量属性: 同一线程可多次加锁
pthread_mutexattr_t m_attr;
pthread_mutexattr_init(&m_attr);
pthread_mutexattr_settype(&m_attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
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struct pthread_mutexattr_t
{ enum lock_type // 使用pthread_mutexattr_settype来更改 { PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP [ default] //当一个线程加锁后，其余请求锁的线程形成等待队列，在解锁后按优先级获得锁。 PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP // 动作最简单的锁类型，解锁后所有线程重新竞争。 PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP // 允许同一线程对同一锁成功获得多次。当然也要解锁多次。其余线程在解锁时重新竞争。 PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP // 若同一线程请求同一锁，返回EDEADLK，否则与PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP动作相同。 } type; } attr; |
用pthread_mutex_init函数初始化的Mutex可以用pthread_mutex_destroy销毁。如果Mutex变量是静态分配的（全局变量或static变量），也可以用宏定义PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER来初始化，相当于用pthread_mutex_init初始化并且attr参数为NULL。
一个线程可以调用pthread_mutex_lock获得Mutex，如果这时另一个线程已经调用pthread_mutex_lock获得了该Mutex，则当前线程需要挂起等待，直到另一个线程调用pthread_mutex_unlock释放Mutex，当前线程被唤醒，才能获得该Mutex并继续执行。
如果一个线程既想获得锁，又不想挂起等待，可以调用pthread_mutex_trylock，如果Mutex已经被另一个线程获得，这个函数会失败返回EBUSY，而不会使线程挂起等待。
上面的具体函数可以man 一下。
三、生产者消费者问题
生产者消费者问题概念参见这里。下面使用posix 信号量和互斥锁一起来演示：
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#include #include #include #include #include #include #include #include #define ERR_EXIT(m) \ do \ { \ perror(m); \ exit(EXIT_FAILURE); \ } while( 0) #define CONSUMERS_COUNT 1 #define PRODUCERS_COUNT 1 #define BUFFSIZE 10 int g_buffer[BUFFSIZE]; unsigned short in = 0; unsigned short out = 0; unsigned short produce_id = 0; unsigned short consume_id = 0; sem_t g_sem_full; sem_t g_sem_empty; pthread_mutex_t g_mutex; pthread_t g_thread[CONSUMERS_COUNT + PRODUCERS_COUNT]; void *consume( void *arg) { int i; int num = ( int)arg; while ( 1) { printf( "%d wait buffer not empty\n", num); sem_wait(&g_sem_empty); pthread_mutex_lock(&g_mutex); for (i = 0; i < BUFFSIZE; i++) { printf( "%02d ", i); if (g_buffer[i] == - 1) printf( "%s", "null"); else printf( "%d", g_buffer[i]); if (i == out) printf( "\t<--consume"); printf( "\n"); } consume_id = g_buffer[out]; printf( "%d begin consume product %d\n", num, consume_id); g_buffer[out] = - 1; out = (out + 1) % BUFFSIZE; printf( "%d end consume product %d\n", num, consume_id); pthread_mutex_unlock(&g_mutex); sem_post(&g_sem_full); sleep( 1); } return NULL; } void *produce( void *arg) { int num = ( int)arg; int i; while ( 1) { printf( "%d wait buffer not full\n", num); sem_wait(&g_sem_full); pthread_mutex_lock(&g_mutex); for (i = 0; i < BUFFSIZE; i++) { printf( "%02d ", i); if (g_buffer[i] == - 1) printf( "%s", "null"); else printf( "%d", g_buffer[i]); if (i == in) printf( "\t<--produce"); printf( "\n"); } printf( "%d begin produce product %d\n", num, produce_id); g_buffer[in] = produce_id; in = (in + 1) % BUFFSIZE; printf( "%d end produce product %d\n", num, produce_id++); pthread_mutex_unlock(&g_mutex); sem_post(&g_sem_empty); sleep( 5); } return NULL; } int main( void) { int i; for (i = 0; i < BUFFSIZE; i++) g_buffer[i] = - 1; sem_init(&g_sem_full, 0, BUFFSIZE); sem_init(&g_sem_empty, 0, 0); pthread_mutex_init(&g_mutex, NULL); for (i = 0; i < CONSUMERS_COUNT; i++) pthread_create(&g_thread[i], NULL, consume, ( void *)i); for (i = 0; i < PRODUCERS_COUNT; i++) pthread_create(&g_thread[CONSUMERS_COUNT + i], NULL, produce, ( void *)i); for (i = 0; i < CONSUMERS_COUNT + PRODUCERS_COUNT; i++) pthread_join(g_thread[i], NULL); sem_destroy(&g_sem_full); sem_destroy(&g_sem_empty); pthread_mutex_destroy(&g_mutex); return 0; } |
与这里的程序相比，程序逻辑没太大变化，只是用pthread_mutex_lock 替代了 sem_mutex，其次这里是演示线程间同步，现在上述程序生产者消费者各一个线程，但生产者睡眠时间是消费者的5倍，故消费者会经常阻塞在sem_wait(&g_sem_empty) 上面，因为缓冲区经常为空，可以将PRODUCTORS_COUNT 改成5，即有5个生产者线程和1个消费者线程，而且生产者睡眠时间还是消费者的5倍，从动态输出可以看出，基本上就动态平衡了，即5个生产者一下子生产了5份东西，消费者1s消费1份，刚好在生产者继续生产前消费完。
四、自旋锁和读写锁简介
（一）、自旋锁
自旋锁类似于互斥锁，它的性能比互斥锁更高。
自旋锁与互斥锁很重要的一个区别在于，线程在申请自旋锁的时候，线程不会被挂起，它处于忙等待的状态，一般用于等待时间比较短的情形。
pthread_spin_init
pthread_spin_destroy
pthread_spin_lock
pthread_spin_unlock
（二）、读写锁
1、只要没有线程持有给定的读写锁用于写，那么任意数目的线程可以持有读写锁用于读
2、仅当没有线程持有某个给定的读写锁用于读或用于写时，才能分配读写锁用于写
3、读写锁用于读称为共享锁，读写锁用于写称为排它锁
pthread_rwlock_init
pthread_rwlock_destroy
int pthread_rwlock_rdlock
int pthread_rwlock_wrlock
int pthread_rwlock_unlock
更多有关linux中的锁问题可以参考这篇文章 ：《透过Linux内核看无锁编程》
http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-lockfree/
参考：
《linux c 编程一站式学习》
《UNP》