linux线程同步
同步概念
- 所谓同步，即同时起步，协调一致。不同的对象，对“同步”的理解方式略有不同。如，设备同步，是指在两个设备之间规定一个共同的时间参考；数据库同步，是指让两个或多个数据库内容保持一致，或者按需要部分保持一致；文件同步，是指让两个或多个文件夹里的文件保持一致。等等
- 而编程中、通信中所说的同步与生活中大家印象中的同步概念略有差异。“同”字应是指协同、协助、互相配合。主旨在协同步调，按预定的先后次序运行。
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。
- 举例1： 银行存款 5000。柜台，折：取3000；提款机，卡：取 3000。剩余：2000
- 举例2： 内存中100字节，线程T1欲填入全1， 线程T2欲填入全0。但如果T1执行了50个字节失去cpu，T2执行，会将T1写过的内容覆盖。当T1再次获得cpu继续 从失去cpu的位置向后写入1，当执行结束，内存中的100字节，既不是全1，也不是全0。
- 产生的现象叫做“与时间有关的错误”(time related)。为了避免这种数据混乱，线程需要同步。
- “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
- 资源共享（独享资源则不会）
- 调度随机（意味着数据访问会出现竞争）
- 线程间缺乏必要的同步机制。
以上3点中，前两点不能改变，欲提高效率，传递数据，资源必须共享。只要共享资源，就一定会出现竞争。只要存在竞争关系，数据就很容易出现混乱。所以只能从第三点着手解决。使多个线程在访问共享资源的时候，出现互斥。
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。
- 但，应注意：同一时刻，只能有一个线程持有该锁。
- 当A线程对某个全局变量加锁访问，B在访问前尝试加锁，拿不到锁，B阻塞。C线程不去加锁，而直接访问该全局变量，依然能够访问，但会出现数据混乱。
- 互斥锁实质上是操作系统提供的一把“建议锁”（又称“协同锁”），建议程序中有多线程访问共享资源的时候使用该机制。但，并没有强制限定。
- 因此，即使有了mutex，如果有线程不按规则来访问数据，依然会造成数据混乱。
主要应用函数：
pthread_mutex_init
pthread_mutex_destroy
pthread_mutex_lock
pthread_mutex_trylock
pthread_mutex_unlock
//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 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);
- 参数1：传出参数，调用时应传 &mutex
- 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
- 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;
- 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 销毁一个互斥锁
- int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
pthread_mutex_lock 加锁。可理解为将mutex--（或-1）
- int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
pthread_mutex_unlock 解锁。可理解为将mutex ++（或+1）
- int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
pthread_mutex_trylock 尝试加锁
- int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
加锁与解锁
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。
- 例如：T1、T2、 T3、 T4 使用一把mutex锁。T1加锁成功，其他线程均阻塞，直至T1解锁。T1解锁后，T2、 T3、 T4均被唤醒，并自动再次尝试加锁。
- 可假想mutex锁 init成功初值为1。 lock 功能是将mutex--。 unlock将mutex++
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。
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;
} 修改该程序，使用mutex互斥锁进行同步
#include
#include
#include
#include
#include
pthread_mutex_t mutex; //定义锁
void *tfn(void *arg)
{
srand(time(NULL));
while (1)
{
pthread_mutex_lock(&mutex); // mutex--
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");
pthread_mutex_unlock(&mutex); // mutex++
sleep(rand() % 3);
}
return NULL;
}
int main(void)
{
int flg = 5;
pthread_t tid;
srand(time(NULL));
pthread_mutex_init(&mutex, NULL); // mutex==1
pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
while (flg--)
{
pthread_mutex_lock(&mutex); // mutex--
printf("HELLO ");
sleep(rand() % 3);
printf("WORLD\n");
pthread_mutex_unlock(&mutex); // mutex++
sleep(rand() % 3);
}
pthread_cancel(tid);
pthread_join(tid, NULL);
pthread_mutex_destroy(&mutex);
return 0;
}
/* 线程之间共享资源stdout */ 运行结果
将unlock挪至第二个sleep后，发现交替现象很难出现。
- 线程在操作完共享资源后本应该立即解锁，但修改后，线程抱着锁睡眠。睡醒解锁后又立即加锁，这两个库函数本身不会阻塞。所以在这两行代码之间失去cpu的概率很小。因此，另外一个线程很难得到加锁的机会。
- 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。
- 在使用互斥量的时候，要避免死锁。死锁：（1）线程试图对同一个互斥量加锁两次（解决：写代码时加锁环节不写复杂）；（2）交叉锁：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（解决：每个线程申请锁的顺序要抑制，如果申请一把锁，申请另外一把锁的时候，申请失败，应该释放已经掌握的）。
读写锁
- 读写锁适合于对数据结构的读次数比写次数多得多的情况。因为，读模式锁定时可以共享，以写模式锁住时意味着独占，所以读写锁又叫共享-独占锁（共享互斥锁）。
读写锁的行为
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
- 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。
- 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。
- 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 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 销毁一把读写锁
- int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
pthread_rwlock_rdlock 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 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 解锁
- int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
pthread_rwlock_tryrdlock 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 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);
/* 3个线程不定时 "写" 全局资源，5个线程不定时 "读" 同一全局资源 */
#include
#include
#include
int counter; // 全局资源
pthread_rwlock_t rwlock;
void *th_write(void *arg)
{
int t;
int i = (int)arg;
while (1)
{
t = counter;
usleep(1000);
pthread_rwlock_wrlock(&rwlock); // 请求写锁
printf("=======write %d: %lu: counter = %d ++counter = %d\n", i, pthread_self(), t, ++counter);
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
sleep(1);
}
return NULL;
}
void *th_read(void *arg)
{
int i = (int)arg;
while (1)
{
pthread_rwlock_rdlock(&rwlock); // 请求读锁
printf("----------------------------read %d: %lu: %d\n", i, pthread_self(), counter);
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
sleep(1);
}
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); // 释放读写琐
return 0;
}
运行结果
条件变量
- 与互斥锁不同，条件变量是用来等待而不是用来上锁的。条件变量用来自动阻塞一个线程，直到某特殊情况发生为止。通常条件变量和互斥锁同时使用。
- 条件变量使我们可以睡眠等待某种条件出现。条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制，主要包括两个动作：一个线程等待"条件变量的条件成立"而挂起；另一个线程使"条件成立"（给出条件成立信号）。
- 条件的检测是在互斥锁的保护下进行的。如果一个条件为假，一个线程自动阻塞，并释放等待状态改变的互斥锁。如果另一个线程改变了条件，它发信号给关联的条件变量，唤醒一个或多个等待它的线程，重新获得互斥锁，重新评价条件。如果两进程共享可读写的内存，条件变量可以被用来实现这两进程间的线程同步。
- 使用条件变量之前要先进行初始化。可以在单个语句中生成和初始化一个条件变量如：pthread_cond_t my_condition=PTHREAD_COND_INITIALIZER;（用于进程间线程的通信）。可以利用函数pthread_cond_init动态初始化。
条件变量分为两部分: 条件和变量。
- 条件本身是由互斥量保护的.。
- 线程在改变条件状态前先要锁住互斥量.。
- 它利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制。
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 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 销毁一个条件变量
- int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
pthread_cond_wait 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：
- 阻塞等待条件变量cond（参1）满足
- 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。
- 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 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 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 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。
/*借助条件变量模拟 生产者-消费者 问题*/
#include
#include
#include
#include
/*链表作为公享数据,需被互斥量保护*/
struct msg
{
struct msg *next;
int num;
};
struct msg *head;
struct msg *mp;
/* 静态初始化 一个条件变量和一个互斥量*/
pthread_cond_t has_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void *consumer1(void *p)
{
for (;;)
{
pthread_mutex_lock(&lock);
while (head == NULL)
{ //头指针为空,说明没有节点
pthread_cond_wait(&has_product, &lock);
}
mp = head;
head = head->next; // 模拟消费掉一个产品
pthread_mutex_unlock(&lock);
printf("-Consume1 ---%d\n", mp->num);
free(mp);
mp = NULL;
sleep(rand() % 5);
}
}
void *consumer2(void *p)
{
for (;;)
{
pthread_mutex_lock(&lock);
while (head == NULL)
{ //头指针为空,说明没有节点
pthread_cond_wait(&has_product, &lock);
}
mp = head;
head = head->next; // 模拟消费掉一个产品
pthread_mutex_unlock(&lock);
printf("-Consume2 ---%d\n", mp->num);
free(mp);
mp = NULL;
sleep(rand() % 5);
}
}
void *producer(void *p)
{
for (;;)
{
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; // 头插法
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[2];
srand(time(NULL));
pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);
pthread_create(&cid[0], NULL, consumer1, NULL);
pthread_create(&cid[1], NULL, consumer2, NULL);
pthread_join(pid, NULL);
pthread_join(cid[0], NULL);
pthread_join(cid[1], NULL);
return 0;
} 运行结果
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。
主要应用函数
sem_init函数
sem_destroy函数
sem_wait函数
sem_trywait函数
sem_timedwait函数
sem_post函数
以上6 个函数的返回值都是：成功返回0， 失败返回-1，同时设置errno。(注意，它们没有pthread前缀)
sem_t类型，本质仍是结构体。但应用期间可简单看作为整数，忽略实现细节（类似于使用文件描述符）。
sem_t sem; 规定信号量sem不能 < 0。头文件 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 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 销毁一个信号量
- int sem_destroy(sem_t *sem);
sem_wait 给信号量加锁 --
- int sem_wait(sem_t *sem);
sem_post 给信号量解锁 ++
- int sem_post(sem_t *sem);
sem_trywait 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 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
/*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);
}
}
void *consumer1(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("-Consume1---%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;
sleep(rand()%3);
}
}
void *consumer2(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("-Consume2---%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;
sleep(rand() % 3);
}
}
int main(int argc, char *argv[])
{
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, consumer1, NULL);
pthread_create(&cid, NULL, consumer2, NULL);
pthread_join(pid, NULL);
pthread_join(cid, NULL);
sem_destroy(&blank_number);
sem_destroy(&product_number);
return 0;
}
条件变量与互斥锁、信号量的区别
- 互斥锁必须总是由给它上锁的线程解锁，信号量的挂出即不必由执行过它的等待操作的同一进程执行。一个线程可以等待某个给定信号灯，而另一个线程可以挂出该信号灯。
- 互斥锁要么锁住，要么被解开（二值状态，类型二值信号量）。
- 由于信号量有一个与之关联的状态（它的计数值），信号量挂出操作总是被记住。然而当向一个条件变量发送信号时，如果没有线程等待在该条件变量上，那么该信号将丢失。
- 互斥锁是为了上锁而设计的，条件变量是为了等待而设计的，信号灯即可用于上锁，也可用于等待，因而可能导致更多的开销和更高的复杂性。
哲学家用餐模型分析
多线程版：
选用互斥锁mutex，如创建5个， pthread_mutex_t m[5];
模型抽象：
- 5个哲学家 --> 5个线程 5支筷子 --> 5把互斥锁 食物：共享资源 int left(左手)， right(右手)
- 5个哲学家使用相同的逻辑，可通用一个线程主函数，void *tfn(void *arg)，使用参数来表示线程编号：int i = (int)arg;
- 哲学家线程根据编号知道自己是第几个哲学家，而后选定锁，锁住，吃饭。否则哲学家thinking。
A B C D E
5支筷子，在逻辑上形成环： 0 1 2 3 4 分别对应5个哲学家：
所以有：
if(i == 4)
left = i, right = 0;
else
left = i, right = i+1;
振荡：如果每个人都攥着自己左手的锁，尝试去拿右手锁，拿不到则将锁释放。过会儿五个人又同时再攥着左手锁尝试拿右手锁，依 然拿不到。如此往复形成另外一种极端死锁的现象——振荡。
避免振荡现象：只需5个人中，任意一个人，拿锁的方向与其他人相逆即可(如：E，原来：左：4，右：0 现在：左：0， 右：4)。
所以以上if else语句应改为：
if(i == 4)
left = 0, right = i;
else
left = i, right = i+1;
而后， 首先应让哲学家尝试加左手锁：
while {
pthread_mutex_lock(&m[left]); 如果加锁成功，函数返回再加右手锁，
如果失败，应立即释放左手锁，等待。
若，左右手都加锁成功 --> 吃 --> 吃完 --> 释放锁（应先释放右手、再释放左手，是加锁顺序的逆序）
}
主线程(main)中，初始化5把锁，销毁5把锁，创建5个线程（并将i传递给线程主函数），回收5个线程。
#include
#include
#include
#include
pthread_mutex_t m[5];
void *tfn(void *arg)
{
int i, l, r;
srand(time(NULL));
i = (int)arg;
if (i == 4)
l = 0, r = i;
else
l = i; r = i+1;
while (1)
{
pthread_mutex_lock(&m[l]);
if (pthread_mutex_trylock(&m[r]) == 0)
{
printf("\t%c is eating \n", 'A'+i);
pthread_mutex_unlock(&m[r]);
}
pthread_mutex_unlock(&m[l]);
sleep(rand() % 5);
}
return NULL;
}
int main(void)
{
int i;
pthread_t tid[5];
for (i = 0; i < 5; i++)
pthread_mutex_init(&m[i], NULL);
for (i = 0; i < 5; i++)
pthread_create(&tid[i], NULL, tfn, (void *)i);
for (i = 0; i < 5; i++)
pthread_join(tid[i], NULL);
for (i = 0; i < 5; i++)
pthread_mutex_destroy(&m[i]);
return 0;
}
避免死锁的方法：
- 1. 当得不到所有所需资源时，放弃已经获得的资源，等待。
- 2. 保证资源的获取顺序，要求每个线程获取资源的顺序一致。如：A获取顺序1、2、3；B顺序应也是1、2、3。若B为3、2、1则易出现死锁现象。
多进程版
相较于多线程需注意问题：
- 需注意如何共享信号量 (注意：坚决不能使用全局变量 sem_t s[5])
实现：
main函数中：
循环 sem_init(&s[i], 0, 1); 将信号量初值设为1，信号量变为互斥锁。
循环 sem_destroy(&s[i]);
循环创建 5 个子进程。 if(i < 5) 中完成子进程的代码逻辑。
循环回收 5 个子进程。
子进程中：
if(i == 4)
left = 0, right == 4;
else
left = i, right = i+1;
while (1) {
使用 sem_wait(&s[left]) 锁左手，尝试锁右手，若成功 --> 吃； 若不成功 --> 将左手锁释放。
吃完后， 先释放右手锁，再释放左手锁。
}
【重点注意】：
直接将sem_t s[5]放在全局位置，试图用于子进程间共享是错误的！应将其定义放置与mmap共享映射区中。main中：
sem_t *s = mmap(NULL, sizeof(sem_t) * 5, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANON， -1， 0);
使用方式：将s当成数组首地址看待，与使用数组s[5]没有差异。
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main(void)
{
int i;
pid_t pid;
sem_t *s;
s = mmap(NULL, sizeof(sem_t)*5, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANON, -1, 0);
if (s == MAP_FAILED)
{
perror("fail to mmap");
exit(1);
}
for (i = 0; i < 5; i++)
sem_init(&s[i], 0, 1); // 信号量初值制定为1，信号量，变成了互斥锁
for (i = 0; i < 5; i++)
if ((pid = fork()) == 0)
break;
if (i < 5)
{ // 子进程
int l, r;
srand(time(NULL));
if (i == 4)
l = 0, r = 4;
else
l = i, r = i+1;
while (1)
{
sem_wait(&s[l]);
if (sem_trywait(&s[r]) == 0)
{
printf(" %c is eating\n", 'A'+i);
sem_post(&s[r]);
}
sem_post(&s[l]);
sleep(rand() % 5);
}
exit(0);
}
for (i = 0; i < 5; i++)
wait(NULL);
for (i = 0; i < 5; i++)
sem_destroy(&s[i]);
munmap(s, sizeof(sem_t)*5);
return 0;
}
