Linux之线程同步——nptl线程库（二）（施工中）

Linux之线程同步——nptl线程库（二）（基础代码）

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提问：

1. 线程同步是什么意思？为什么需要线程同步？不同步会导致什么后果？
2. 线程同步有什么方法，接口？如何使用？
3. 如何使用线程条件变量？

基本常识：

• 临界区（critical section）是指访问某一共享资源的代码片段。
• 原子操作（atomic operation）是指访问同一共享资源的其他线程不应中断该片段执行。
• 尽管C语言的运算符看似简单，其操作未必属于原子操作。
• 自动变量（Automatic Variable）指的是局部作用域变量。
• 死锁是指两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁，这些永远在互相等待的进程称为死锁进程。

 

英文缩写与全称：

• futex 全称为fast user space mutex 即快速用户空间互斥量。
• mutual exclusion 即互斥。
• condition variable 即条件变量

1.线程同步是什么意思？为什么需要线程同步？不同步会导致什么后果？

• 同步就是协同步调，按预定的先后次序进行运行。如进程、线程同步，可理解为进程或线程A和B一块配合，A执行到一定程度时要依靠B的某个结果，于是停下来，示意B运行；B依言执行，再将结果给A；A再继续操作。（摘自百度百科）
• 对于为什么需要线程同步？和不同步导致的后果？可以参考基本代码中的第一个例子（链接在文章顶部）。

2.线程同步有什么方法，接口？如何使用？

• 线程同步的两个工具：互斥量（mutex）和条件变量（condition variable）。互斥量可以帮助线程同步对共享资源的使用，条件变量则是在此之外的拾遗补缺，允许线程相互通知共享变量的状态发生了变化。

一、互斥量

互斥量使用和接口

#include

pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

静态分配互斥量。

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

锁定某一互斥量。
成功返回0，失败返回错误号（正数）。
参数mutex表示互斥量。

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

将某一互斥量解锁。
成功返回0，失败返回错误号（正数）。
参数mutex表示互斥量。

• 对于mutex互斥量，可以理解为0锁定状态，1未锁定状态。线程1访问时，如果mutex为1，则线程让mutex减一，然后进入里面。这时候其他线程想要访问，但由于mutex为0，所以其他线程等待。直到线程1访问结束，调用pthread_mutex_unlock()让mutex加一，表示自身使用完毕。其他线程才能开始访问临界区，当然多个线程谁先访问，这是不确定的。
• 使用案例在代码段（顶）。
• Pthreads API 提供了 pthread_mutex_trylock()和pthread_mutex_timedlock()。这两个函数与pthread_mutex_lock()有一些区别，可以参考手册页（manual page）来使用。

动态化初始互斥量及其销毁

• 静态初始值PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER，只能用于如下互斥量进行初始化：经由静态分配且携带默认属性。其他情况下，必须调用pthread_mutex_init()对互斥量进行动态初始化。

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t* attr);

动态初始化互斥量。
成功返回0，失败返回对应错误号。
参数mutex为互斥量
参数attr是指向pthread_mutexattr_t类型对象的指针，该对象在函数调用前已经经过了初始化处理，用于定义互斥量的属性。
若将attr参数置为NULL，则互斥量的各种属性会取默认值。

• SUSv3规定，初始化一个已初始化的互斥量将导致未定义的行为，应当避免这一行为。
• 如下情况必须使用动态初始化：
• 动态分配于堆中的互斥量。
• 互斥量是在栈中分配的自动变量。
• 初始化经由静态分配，且不使用默认属性的互斥量。

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

销毁动态分配的互斥量。
成功返回0，失败返回对应错误号。

• 当不再需要经由自动或动态分配的互斥量时，应使用pthread_mutex_destroy()将其销毁。（静态分配的不需要）
• 只有当互斥量处于未锁定状态，且后续也无任何线程企图锁定它时，将其销毁才是安全的。若互斥量驻留于动态分配的一片内存区域中，应在释放（free）此内存区域前才将其销毁。对于自动分配的互斥量，也应在宿主函数返回前将其销毁。
• 经由pthread_mutex_destroy()销毁的互斥量，可调用pthread_mutex_init()对其重新初始化。

互斥量的属性

• 由于很懒加上时间不够，而且自身也不太懂，这一段跳过（有空再来补），有兴趣可以看书或网上查。（万分抱歉）
• 放了一个书上的例子在代码区（顶）3。

 

二、通知状态的改变：条件变量(condition variable)

• 互斥量防止多个线程同时访问同一共享变量。条件变量允许一个线程就某个共享变量（或其他共享资源）的状态变化通知其他线程，并让其他线程等待（堵塞于）这一通知。
• 代码区（顶）4 提供了一个例子。表明了主线程不停地循环检查变量avail的状态，故而造成了CPU资源的浪费。采用条件变量这一问题就解决了。允许一个线程休眠直至获得另一个线程的通知（收到信号）去执行某些操作。
• 条件变量负责就共享变量的状态改变发出通知，而互斥量提供对该共享变量访问的互斥。

通知和等待条件变量

int pthread_cond_singal(pthread_cond_t *cond);

发出信号cond，使其他处于等待状态的线程唤醒。只保证唤醒至少一条遭到阻塞的线程。
注意：如果先发信号，而其他线程还未进入等待，是没有用的。
成功返回0，失败返回错误号。


int pthread_cond_broadcase(pthread_cond_t *cond);

发出信号cond，唤醒所有遭阻塞的线程。
成功返回0，失败返回错误号。

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);

阻塞线程，等待信号。
成功返回0，失败返回错误号。