线程同步-生产者消费者问题
在进行多线程编程时，难免还要碰到两个问题，那就线程间的互斥与同步：
线程同步是指线程之间所具有的一种制约关系，一个线程的执行依赖另一个线程的消息，当它没有得到另一个线程的消息时应等待，直到消息到达时才被唤醒。
线程互斥是指对于共享的进程系统资源，在各单个线程访问时的排它性。当有若干个线程都要使用某一共享资源时，任何时刻最多只允许一个线程去使用，其它要使用该资源的线程必须等待，直到占用资源者释放该资源。线程互斥可以看成是一种特殊的线程同步（下文统称为同步）。
生产者消费者问题就是一个著名的线程同步问题，该问题描述如下：有一个生产者在生产产品，这些产品将提供给若干个消费者去消费，为了使生产者和消费者能并发执行，在两者之间设置一个具有多个缓冲区的缓冲池，生产者将它生产的产品放入一个缓冲区中，消费者可以从缓冲区中取走产品进行消费，显然生产者和消费者之间必须保持同步，即不允许消费者到一个空的缓冲区中取产品，也不允许生产者向一个已经放入产品的缓冲区中再次投放产品。
关于线程同步和互斥的详细说明可以看： http://blog.csdn.net/big_bit/article/details/51356381这篇文章
线程间的同步方法大体可分为两类：用户模式和内核模式。顾名思义，内核模式就是指利用系统内核对象的单一性来进行同步，使用时需要切换内核态与用户态，而用户模式就是不需要切换到内核态，只在用户态完成操作。
用户模式下的方法有：原子操作（例如一个单一的全局变量），临界区。内核模式下的方法有：事件，信号量，互斥量。下面我们来分别看一下这些方法：
一、互斥锁或互斥量(mutex)
下面是用互斥量来解决生产者和消费者问题。为了现集中体现互斥量这个概念（就是一次只能有一个线程访问，其他线程阻塞），我们先简化一下问题：缓冲区或者仓库无限大（生产者和消费者都可以生产和消费产品，而且产品初始化时候数量就是无限多，这里我们主要体现），只有一个生产者和一个消费者，我们这个时候就可以把缓冲区设置为一个互斥量，一次要么生产者要么消费者霸占它。
· 初始化锁。在Linux下，线程的互斥量数据类型是pthread_mutex_t。在使用前,要对它进行初始化。
静态分配：pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
动态分配：int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,const pthread_mutex_attr_t *mutexattr);
· 加锁。对共享资源的访问，要对互斥量进行加锁，如果互斥量已经上了锁，调用线程会阻塞，直到互斥量被解锁。
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
· 解锁。在完成了对共享资源的访问后，要对互斥量进行解锁。
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
· 销毁锁。锁在是使用完成后，需要进行销毁以释放资源。
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex *mutex);
接下来我们来看看实现流程：
下面开始代码实现:
#include
#include
#define LOOP_COUNT 5 //生产者和消费者各自循环次数
pthread_mutex_t mutex; //定义一个全局互斥量，在不同函数中
//初始化和使用
void *producer( void *arg ); //生产者线程
void *consumer( void *arg ); //消费者线程
int main(int argc , char *argv[]){
pthread_t thrd_prod , thrd_cons;
pthread_mutex_init( &mutex , NULL ); //初始化互斥量
//创建生产者和消费者线程
if( pthread_create( &thrd_prod , NULL, producer ,
NULL ) != 0 )
oops( "thread create failed." );
sleep(1); //保证生产者线程先运行
if( pthread_create( &thrd_cons , NULL, consumer ,
NULL ) != 0 )
oops( "thread create failed." );
//等待线程结束
if( pthread_join( thrd_prod , NULL ) != 0 )
oops( " wait thread failed.");
if( pthread_join( thrd_cons , NULL ) != 0 )
oops( " wait thread failed.");
pthread_mutex_destroy( &mutex ); //关闭互斥量
return 0;
}
void *producer( void *arg){
int count = 0 ; //循环计数
while( count++ < LOOP_COUNT ){
pthread_mutex_lock( &mutex ); //加锁
//成功占有互斥量，接下来可以对缓冲区（仓库）进行生产
//操作
printf( " producer put a product to buffer.\n");
sleep(3); //休眠3秒， 便于程序观察
pthread_mutex_unlock( &mutex ); //解锁
sleep(1); //休眠一秒，防止它又马上占据锁
}
}
void *consumer( void *arg ){
int count = 0 ; //循环计数
while( count++ < LOOP_COUNT ){
// sleep(2); //休眠一秒， 便于程序观察
pthread_mutex_lock( &mutex ); //加锁
//成功占有互斥量，接下来可以对缓冲区（仓库）进行取出
//操作
printf( " consumer get a product from buffer.\n");
pthread_mutex_unlock( &mutex ); //解锁
sleep(1); //休眠一秒，防止它又马上占据锁
}
} 结果如下：
二、读写锁
读写锁也叫做共享-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。
接下来我们改变一下生产者消费者问题：现在缓冲区或者仓库无限大（生产者和消费者都可以生产和消费产品，而且产品初始化时候数量就是无限多，这里我们主要体现），只有一个生产者（读写锁也可以应用到多个生产者问题），但有多个消费者， 我们这个时候就可以把为生产者设置一个写锁，为每个消费者设置一个读锁。
- 1.初始化读写锁。
#include
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,constpthread_rwlockattr_t *restrict attr);2.加锁。要在读模式下锁定读写锁，需要调用pthread_rwlock_rdlock；要在写模式下锁定读写锁，需要调用pthread_rwlock_wrlock。当读写锁是写加锁状态时，在这个锁被解锁之前，所有试图对这个锁加锁的线程都会被阻塞。当读写锁在读加锁状态时，所有试图以读模式对它进行加锁的线程都可以得到访问权，但是如果线程希望以写模式对此锁进行加锁，它必须阻塞直到所有的线程释放读锁。
intpthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
intpthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
3.解锁。在完成了对共享资源的访问后，要对读写锁进行解锁。
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);4.销毁锁。在释放读写锁占用的内存之前，需要调用pthread_rwlock_destroy做清理工作。如果pthread_rwlock_init为读写锁分配了资源，pthread_rwlock_destroy将释放这些资源。如果在调用pthread_rwlock_destroy之前就释放了读写锁占用的内存空间，那么分配给这个锁的资源就丢失了。
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
#include
#include
#define LOOP_COUNT 2 //生产者和消费者各自循环次数
#define LOOP_THRD 5 //消费者线程个数
pthread_rwlock_t rwlock; //定义一个全局读写锁，在不同函数中
//初始化和使用
void *producer( void *arg ); //生产者线程
void *consumer( void *arg ); //消费者线程
int main(int argc , char *argv[]){
int thrd_num ,thrd_id[LOOP_THRD] ;
pthread_t thrd_prod , thrd_cons[LOOP_THRD];
pthread_rwlock_init( &rwlock , NULL ); //初始化互斥量
//创建一个生产者和多个消费者线程
if( pthread_create( &thrd_prod , NULL, producer ,
NULL ) != 0 )
oops( "thread create failed." );
for( thrd_num = 0 ; thrd_num < LOOP_THRD; thrd_num++ ){
thrd_id[thrd_num] = thrd_num; //线程id，注意线程共享变量
if( pthread_create( &thrd_cons[thrd_num], NULL, consumer
, (void *)( thrd_id+thrd_num) ) != 0 )
oops( "thread %d create failed." , thrd_num );
}
//等待线程结束
if( pthread_join( thrd_prod , NULL ) != 0 )
oops( " wait thread failed.");
for( thrd_num = 0 ; thrd_num < LOOP_THRD; thrd_num++ ){
if( pthread_join( thrd_cons[thrd_num] , NULL ) != 0 )
oops( " wait thread %d failed." , thrd_num);
// printf("wait %d thread.\n" , thrd_num);
}
pthread_rwlock_destroy( &rwlock ); //关闭互斥量
return 0;
}
void *producer( void *arg){
int count = 0 ; //循环计数
while( count++ < LOOP_COUNT ){
printf( "producer try to lock wrlock.\n");
pthread_rwlock_wrlock( &rwlock ); //加锁
//成功占有互斥量，接下来可以对缓冲区（仓库）进行生产
//操作
printf( "producer lock successful, producer put a product to buffer.\n");
/*
休眠3秒， 便于程序观察,可以看到
其他读取线程不能占据锁而阻塞
*/
sleep(3);
printf("prducer finished ,unlock wrlock.\n");
pthread_rwlock_unlock( &rwlock ); //解锁
sleep(1); //休眠一秒， 防止马上又占据写锁
}
}
void *consumer( void *arg ){
int count = 0 ; //循环计数
int thrd_id = *( ( int*)arg );
// printf( "consumer %d ,%#x . \n" , thrd_id ,arg);
while( count++ < LOOP_COUNT ){
// sleep( thrd_id+1 ); //休眠一秒， 便于程序观察
printf( "consumer try to lock rdlock.\n" );
pthread_rwlock_rdlock( &rwlock ); //加锁
//成功占有互斥量，接下来可以对缓冲区（仓库）进行取出
//操作
printf( " consumer locked successful ,consumer %d get a product from buffer."
"\n" , thrd_id);
/*
休眠3秒， 便于程序观察,可以看到
其他读取线程能占据读锁
*/
sleep(3);
printf("consumer finished ,unlock rdlock.\n");
pthread_rwlock_unlock( &rwlock ); //解锁
sleep(thrd_id+1); //休眠一秒， 防止马上又占据读锁
}
} 结果如下：
// printf( "consumer %d ,%#x . \n" , thrd_id ,arg);
三、条件变量（cond）
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。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。
1.初始化条件变量。
静态态初始化，pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIER;
动态初始化，int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond,pthread_condattr_t *cond_attr);
2.等待条件成立。释放锁,同时阻塞等待条件变量为真才行。timewait()设置等待时间,仍未signal,返回ETIMEOUT(加锁保证只有一个线程wait)
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex *mutex,consttimespec *abstime);
3.激活条件变量。pthread_cond_signal,pthread_cond_broadcast（激活所有等待线程）
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond); //解除所有线程的阻塞
4.清除条件变量。无线程等待,否则返回EBUSY
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
接下来我们又改变一下生产者消费者问题：现在缓冲区或者仓库大小为BUFSIZE，只有一个生产者和一个消费者（其实也适用于多个生产者和消费者）， 我们这个时候就可以把缓冲区设置为一个互斥量，一次要么生产者要么消费者霸占它。但接下来处理方式与互斥量有所不同：假如生产者成功占据锁（缓冲区），这时它不能马上开始往里面生产东西，要先判断缓冲区是不是满的，如果缓冲区满了，那么生产者就会把自己放到等待条件的线程列表上，然后对互斥量进行解锁，这是一个原子操作。如果缓冲区不满则可以生产产品，然后给消费者发送notempty信号，表示缓冲区有产品了， 你可以yy了。然后解锁互斥量。假如是消费者成功占据锁（缓冲区），同样它要检查缓冲区是不是空的，如果空，那么消费者就会把自己放到等待条件的线程列表上，然后对互斥量进行解锁。如果不空，消费者开始yy，然后给生产者发送nofull信号， 表示缓冲区有位置可以生产了， 你快生产吧。然后解锁互斥量。就这样，生产者消费者和谐同步工作着。
流程图我就不画了，看代码也能明白过程：
---producer过程:lock(mutex)->checknotfull->(if notfull wait until notfull)->produce product->sendnotempty to consumer->unlock(mutex)
---consumer过程：lock(mutex)->checknotempty->(if notempty wait until notempty)->get productfrom buffer->send notfull to poducer->unlock(mutex)
#include
#include
#define LOOP_COUNT 20 //生产者和消费者各自循环次数,也可以说生产商品的总量
//#define LOOP_THRD 5 //消费者线程个数
#define BUFSIZE 5 //缓冲区大小，也就是最多能放多少个产品
pthread_mutex_t mutex; //定义一个全局互斥量，在不同函数中
//初始化和使用
pthread_cond_t notempty , notfull; //定义两个条件变量，当作信号投放
unsigned int prod_pos = 3; //定义生产者在缓冲区开始生产的位置
unsigned int cons_pos = 0; //定义消费者在缓冲区开始消费的位置
void *producer( void *arg ); //生产者线程
void *consumer( void *arg ); //消费者线程
int main(int argc , char *argv[]){
pthread_t thrd_prod , thrd_cons;
pthread_mutex_init( &mutex , NULL ); //初始化互斥量
//创建生产者和消费者线程
if( pthread_create( &thrd_prod , NULL, producer ,
NULL ) != 0 )
oops( "thread create failed." );
sleep(1); //保证生产者线程先运行
if( pthread_create( &thrd_cons , NULL, consumer ,
NULL ) != 0 )
oops( "thread create failed." );
//等待线程结束
if( pthread_join( thrd_prod , NULL ) != 0 )
oops( " wait thread failed.");
if( pthread_join( thrd_cons , NULL ) != 0 )
oops( " wait thread failed.");
pthread_mutex_destroy( &mutex ); //关闭互斥量
return 0;
}
void *producer( void *arg){
int count = 0 ; //循环计数
while( count++ < LOOP_COUNT ){
printf( "producer try to lock .\n");
pthread_mutex_lock( &mutex ); //加锁
/*
成功占有互斥量，接着检查缓冲区是不是满了，
*/
if( ( prod_pos + 1 ) % BUFSIZE == cons_pos ){
//缓冲区满了
printf( "producer wait not full.\n");
pthread_cond_wait( ¬full , &mutex ); //等待条件满足
}
//如果没满，接下来可以对缓冲区（仓库）进行生产
//操作
printf( "producer lock successful, producer put %d's "
"product to buffer.\n" ,count);
prod_pos = ( prod_pos +1 ) % BUFSIZE; //下标前进一个
pthread_cond_signal( ¬empty ); //向消费者发送信号
/*
休眠3秒， 便于程序观察,可以看到
其他读取线程不能占据锁而阻塞
*/
sleep( 1 );
printf("prducer finished ,unlock lock.\n");
pthread_mutex_unlock( &mutex ); //解锁
sleep( 1 ); //休眠一秒， 防止马上又占据写锁
}
}
void *consumer( void *arg ){
int count = 0 ; //循环计数
while( count++ < LOOP_COUNT ){
// sleep( thrd_id+1 ); //休眠一秒， 便于程序观察
printf( "consumer try to lock .\n" );
pthread_mutex_lock( &mutex ); //解锁
/*
成功占有互斥量，接下来检查缓冲区是否为空
*/
if( cons_pos == prod_pos ){
printf( "consumer wait not empty.\n");
pthread_cond_wait( ¬empty , &mutex );
}
//缓冲区不空，可以对缓冲区（仓库）进行取出操作
printf( " consumer locked successful ,consumer "
"get %d product from buffer.\n" , count);
cons_pos = ( cons_pos + 1) % BUFSIZE ; //下标前进一个
pthread_cond_signal( ¬full ); //向生产着发送信号
/*
休眠3秒， 便于程序观察,可以看到
其他读取线程能占据读锁
*/
sleep( 1 );
printf("consumer finished ,unlock lock.\n");
pthread_mutex_unlock( &mutex ); //解锁
sleep(1); //休眠一秒， 防止马上又占据读锁
}
}
函数将解锁mutex参数指向的互斥锁，并使当前线程阻塞在cond参数指向的条件变量上。
被阻塞的线程可以被pthread_cond_signal函数，pthread_cond_broadcast函数唤醒，也可能在被信号中断后被唤醒。pthread_cond_wait函数的返回并不意味着条件的值一定发生了变化，必须重新检查条件的值。
pthread_cond_wait函数返回时，相应的互斥锁将被当前线程锁定，即使是函数出错返回。
一般一个条件表达式都是在一个互斥锁的保护下被检查。当条件表达式未被满足时，线程将仍然阻塞在这个条件变量上。当另一个线程改变了条件的值并向条件变量发出信号时，等待在这个条件变量上的一个线程或所有线程被唤醒，接着都试图再次占有相应的互斥锁。
阻塞在条件变量上的线程被唤醒以后，直到pthread_cond_wait()函数返回之前条件的值都有可能发生变化。所以函数返回以后，在锁定相应的互斥锁之前，必须重新测试条件值。最好的测试方法是循环调用pthread_cond_wait函数，并把满足条件的表达式置为循环的终止条件。
所以上述代码应该用循环而不是if。具体修改如下：consumer函数中： /*
成功占有互斥量，接下来循环检查缓冲区是否为空. 这个while要特别
说明一下，单个pthread_cond_wait功能很完善，为何这里要有一个
while (cons_pos >=prod_pos)呢？因为pthread_cond_wait里的线程可
能会被意外唤醒返回了，mutex又被重新lock（不一定是本线程，有可能
是其他线程），此时情况是cons_pos >= prod_pos ,表示缓冲区空了，
不能再取product，也没有product可取。这不是我们想要的结果。应该
让线程继续进入pthread_cond_wait
*/
while( cons_pos == prod_pos ){
printf( "consumer wait not empty.\n");
/*
pthread_cond_wait会先解除之前的pthread_mutex_lock锁定的
mutex，然后阻塞在等待对列里休眠，直到再次被唤醒（大多数
情况下是等待的条件成立而被唤醒，唤醒后，该进程会先锁定先
pthread_mutex_lock(&mutex);，再读取资源,用这个流程是比较
清楚的 block-->unlock-->cond_wait() return-->lock
*/
pthread_cond_wait( ¬empty , &mutex );
}produer函数中： /*
成功占有互斥量，接着循环检查缓冲区是不是满了，
*/
while( ( prod_pos + 1 ) % BUFSIZE == cons_pos ){
//缓冲区满了
printf( "producer wait not full.\n");
pthread_cond_wait( ¬full , &mutex ); //等待条件满足
}这样来看结果就对了
while( ( prod_pos + 1 ) % BUFSIZE == cons_pos )while( cons_pos == prod_pos )四、信号量
关于信号量的说明见http://blog.csdn.net/big_bit/article/details/51471811,我主要写了一个程序来学习信号量，这个例子是两个相同的线程同时向屏幕输出数据，我们可以看到如何使用信号量来使两个进程协调工作，使同一时间只有一个线程可以向屏幕输出数据。
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
/* 利用信号量实现PV操作，来达到同步 */
//#define IPC_PATH "."
//#define IPC_ID 0x1
union semun{
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *array;
};
struct my_arg{ //在线程的例程函数里面要调用pv函数，所以给例程传递结构体
char mes;
int semid;
unsigned short nsems;
};
static int creat_sem( const int nsems);
static void del_sem( const int semid);
static int semaphore_p( const int semid , const unsigned short nsems );
static int semaphore_v( const int semid , const unsigned short nsems );
static void *pr_char( void *); //print char
int main(int argc , char *argv[]){
int sem_id;
int nsems = 1;
//static int count = 0;
char mes1 = 'X';
char mes2 = 'O';
pthread_t thrd1,thrd2;
struct my_arg my_arg1,my_arg2;
/* init semaphore */
sem_id = creat_sem( nsems );
my_arg1.semid=my_arg2.semid = sem_id;
my_arg1.nsems = my_arg2.nsems = (unsigned short )(nsems-1);
my_arg1.mes = mes1;
my_arg2.mes = mes2;
//create 2 thread
pthread_create( &thrd1 , NULL , pr_char , (void *)&my_arg1);
pthread_create( &thrd2 , NULL , pr_char , (void *)&my_arg2);
/* print data by sem*/
pthread_join( thrd1 , NULL );
pthread_join( thrd2 , NULL);
/* delete semaphore */
if( argc > 1){
sleep(3);
del_sem( sem_id);
}
return 0;
}
static int creat_sem( const int nsems ){
key_t key ;
union semun arg;
int sem_id;
/* creat key */
// key = ftok( IPC_PATH , IPC_ID );
// key = ftok( "." , 1 );
// if( key == -1 )
// oops( "ftok" );
if( -1 ==( sem_id = semget( (key_t)1324 , nsems , 0666 | IPC_CREAT) ) )
oops( "semget " );
/* set sem */
arg.val = nsems;
if( -1 == semctl( sem_id , 0 , SETVAL , arg) )
oops( " semctl " );
return sem_id;
}
/* sem delete */
static void del_sem( const int semid ){
union semun arg;
if( -1 == semctl( semid , 0 , IPC_RMID , arg) )
oops( "delete semaphore");
}
/* 信号量P操作 */
static int semaphore_p( const int semid , const unsigned short nsems ){
struct sembuf sem_buf;
//set sembuf
//sem_buf.sem_num = ( unsigned short )(nsems-1);
//sem_buf.sem_num = 0;
sem_buf.sem_num = nsems;
sem_buf.sem_op = -1 ; //P:get resource which sem control
sem_buf.sem_flg = SEM_UNDO;
if( -1 == semop( semid , &sem_buf , 1 ) )
oops( " semop ");
return 1;
}
/* 信号量V操作 */
static int semaphore_v( const int semid , const unsigned short nsems ){
struct sembuf sem_buf;
//set sembuf
//sem_buf.sem_num = ( unsigned short )(nsems-1);
//sem_buf.sem_num = 0;
sem_buf.sem_num = nsems;
sem_buf.sem_op = 1 ; //P:release resource which sem control
sem_buf.sem_flg = SEM_UNDO;
if( -1 == semop( semid , &sem_buf , 1 ) )
oops( " semop ");
return 1;
}
static void *pr_char(void *arg){
static int count = 0;
struct my_arg *parg = (struct my_arg*)arg;
printf( " semid = %d\n" , parg->semid);
printf( " nsems = %d\n" , parg->nsems);
while(count++ < 10){
//进入临界区
if(!semaphore_p( parg->semid , parg->nsems))
oops( " semaphore_p" );
printf("%c" , parg->mes); //向屏幕中输出数据
fflush(stdout); //清理缓冲区，然后休眠随机时间
sleep(rand() % 3);
printf("%c" , parg->mes); //离开临界区前再一次向屏幕输出数据
fflush(stdout);
if(!semaphore_v(parg->semid , parg->nsems))
oops( "semaphore" ); //离开临界区，休眠随机时间后继续循环
sleep(rand() % 2);
}
printf("print finished.");
}
