线程同步-信号量-互斥量-条件变量

线程同步

• 线程同步其实实现的是线程排队。
• 防止线程同步访问共享资源造成冲突。
• 多个线程访问共享资源的代码有可能是同一份代码，也有可能是不同的代码；无论是否执行同一份代码，只要这些线程的代码访问同一份可变的共享资源，这些线程之间就需要同步。

1. 问题

• 同一个进程内的各个线程，共享该进程内的全局变量
• 如果多个线程同时对某个全局变量进行访问时，有可能达不到预期效果。

2. 信号量和互斥量的选择。

• 互斥量：为协调共同对一个共享资源的单独访问而设计的；因为进入内核模式，所以性能比临界区差；跨进程，可用于防止程序重复打开运行。
• 信号量：为控制一个具有有限数量用户资源而设计，互斥锁可以理解为1个用户资源的信号量。
  • 使用时，选择更符合语义的手段：
    • 如果要求最多只允许一个线程进入临界区，则使用互斥量
    • 如果要求多个线程之间的执行顺序满足某个约束，则使用信号量

条件变量：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）。

信号量

1）什么是信号量

• 此时所指的“信号量”是指用于同一个进程内多个线程之间的信号量。即POSIX信号量，而不是System V信号量（用于进程之间的同步)

• 用于线程的信号量的原理，与用于进程之间的信号量的原理相同。都有P操作、V操作。

• 信号量的表示：sem_t 类型

  2) 信号量的初始化

    原型：int  sem_init  (sem_t  *sem，int  pshared,  unsigned int value);
    功能：对信号量进行初始化
    参数：sem,  指向被初始化的信号量
         pshared,  0：表示该信号量是该进程内使用的“局部信号量”， 不再被其它进程共享。
         		   非0：该信号量可被其他进程共享，Linux不支持这种信号量
         		   
         value,  信号量的初值。>= 0
    返回值：成功，返回0   失败， 返回错误码
  

  3) 信号量的P操作

    原型：int   sem_wait (sem_t  *sem);
    返回值：成功，返回0  失败， 返回错误码
  

  4) 信号量的V操作

    原型：int sem_post (sem_t  *sem);
    返回值：成功，返回0  失败， 返回错误码
  

  5) 信号量的删除

   原型：int sem_destroy (sem_t  *sem);
   返回值：成功，返回0   失败， 返回错误码
  

  6) 实例
  主线程循环输入字符串，把字符串存放到一个全局缓存中。新线程从全局缓存中读取字符串，统计该字符串的长度。直到用户输入end

main.c

预期结果:主线程每接收终端输入的一个字符串,子线程就打印字符串和输出字符串长度

• 信号量被初始化为0，主线程接受一个字符串的时候，执行V操作（信号量+1），此时信号量大于1，子线程执行P操作（-1），然后对字符串做出相应的操作

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define BUFF_SIZE 80

// 全局变量可以让多个线程访问
char buff[BUFF_SIZE];
sem_t sem;

static void* str_thread_handle(void *arg) 
{
	while(1) {
		//P(sem) -1
		if (sem_wait(&sem) != 0) {
			printf("sem_wait failed!\n");
			exit(1);
		}
		
		printf("string is: %slen=%u\n", buff, (unsigned int)strlen(buff));
		if (strncmp(buff, "end", 3) == 0) {
			break;
		}
	}
}

int main(void)
{
	int ret;
	pthread_t  str_thread;
	void *thread_return;

	// 参数:被初始化信号量 0 给信号量的赋值
	ret = sem_init(&sem, 0, 0);
	if (ret != 0) {
		printf("sem_init failed!\n");
		exit(1);
	}

	// 创建线程
	ret = pthread_create(&str_thread, 0, str_thread_handle, 0);
	if (ret != 0) {
		printf("pthread_create failed!\n");
		exit(1);
	}

	while (1) {
	    // 从终端获取一行输入
		fgets(buff, sizeof(buff), stdin);

		//V(sem) +1
		// 0->1 那么线程就可以执行P操作 1->0
		if (sem_post(&sem) != 0) {
			printf("sem_post failed!\n");
			exit(1);
		}
		
		if (strncmp(buff, "end", 3) == 0) {
			break;
		}
	}

	ret = pthread_join(str_thread, &thread_return);
	if (ret != 0) {
		printf("pthread_join failed!\n");
		exit(1);
	}

	ret = sem_destroy(&sem);
	if (ret != 0) {
		printf("sem_destroy failed!\n");
		exit(1);
	}

	return 0;
}

练习

    创建2个线程（共有主线程、线程1、线程2共3个线程）
    主线程阻塞式等待用户输入字符串
    主线程每接收到一个字符串之后， 线程1就马上对该字符串进行处理。
    线程1的处理逻辑为：统计该字符串的个数，并记录当时的时间。
    线程1把该字符串处理完后，线程2马上就把处理结果写入文件result.txt
    直到用户输入exit.
    multi_pthread.c

互斥量

1）什么是互斥量
     效果上等同于初值为1的信号量
     互斥量的使用：类型为 pthread_mutex_t
     
2）互斥量的初始化
     原型：int  pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,
                                   pthread_mutexattr_t *attr);
     参数：mutex， 指向被初始化的互斥量
             attr,  指向互斥量的属性
                    一般取默认属性（当一个线程已获取互斥量后，该线程再次获取该信号量，将导致死锁!)

3) 互斥量的获取
    原型：int  pthread_mutex_lock (pthread_mutex_t *mutex);   

4）互斥量的释放
     原型：int  pthread_mutex_unlock (pthread_mutex_t  *mutex);         
     
5）互斥量的删除
     int  pthread_mutex_destroy (pthread_mutex_t *mutex);  

6. 实例
   main3.c

预期实现效果:主线程和子线程依次把全局变量 -1 ,依次往终端输出结果

• 当没有用互斥量的时候，同时运行主线程和子线程，对全局变量进行 - 1

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define BUFF_SIZE 80

// 全局
int global_value = 1000;
pthread_mutex_t  lock;

static void* str_thread_handle(void *arg) 
{
	int i = 0;

	for (i=0; i<10; i++) {
		//pthread_mutex_lock(&lock);

		if (global_value  > 0) {
			// work
			sleep(1);
			printf("soled ticket(%d) to ChildStation(%d)\n",
				global_value, i+1);
		}
		global_value--;
		
		//pthread_mutex_unlock(&lock);
		sleep(1);
	}
}

int main(void)
{
	int ret;
	pthread_t  str_thread;
	void *thread_return;
	int i;

	

	ret = pthread_mutex_init(&lock, 0);
	if (ret != 0) {
		printf("pthread_mutex_init failed!\n");
		exit(1);
	}

	ret = pthread_create(&str_thread, 0, str_thread_handle, 0);
	if (ret != 0) {
		printf("pthread_create failed!\n");
		exit(1);
	}

	for (i=0; i<10; i++) {
		//pthread_mutex_lock(&lock);
		
		if (global_value  > 0) {
			// work
			sleep(1);
			printf("soled ticket(%d) to MainStation(%d)\n",
				global_value, i+1);
		}
		global_value--;
		
		
		//pthread_mutex_unlock(&lock);
		sleep(1);
	}

	ret = pthread_join(str_thread, &thread_return);
	if (ret != 0) {
		printf("pthread_join failed!\n");
		exit(1);
	}

	ret = pthread_mutex_destroy(&lock);
	if (ret != 0) {
		printf("pthread_mutex_destroy failed!\n");
		exit(1);
	}

	return 0;
}

• 主线程 -10 ， 子线程 -10 最后应该是 981 所以不符合预期
• 原因 主线程和子线程同时对全局变量进行了 -1
  
  使用信号量后
• 上了两把锁
• 给主线程和子线程对全局变量进行操作的部分分别上锁

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define BUFF_SIZE 80

// 全局
int global_value = 1000;
pthread_mutex_t  lock;

static void* str_thread_handle(void *arg) 
{
	int i = 0;

	for (i=0; i<10; i++) {

        /*****上锁*****/
		pthread_mutex_lock(&lock);

		if (global_value  > 0) {
			// work
			sleep(1);
			printf("soled ticket(%d) to ChildStation(%d)\n",
				global_value, i+1);
		}
		global_value--;
		
        /*****开锁*****/
		pthread_mutex_unlock(&lock);
		sleep(1);
	}
}

int main(void)
{
	int ret;
	pthread_t  str_thread;
	void *thread_return;
	int i;

	

	ret = pthread_mutex_init(&lock, 0);
	if (ret != 0) {
		printf("pthread_mutex_init failed!\n");
		exit(1);
	}

	ret = pthread_create(&str_thread, 0, str_thread_handle, 0);
	if (ret != 0) {
		printf("pthread_create failed!\n");
		exit(1);
	}

	for (i=0; i<10; i++) {

        /*****上锁*****/
		pthread_mutex_lock(&lock);
		
		if (global_value  > 0) {
			// work
			sleep(1);
			printf("soled ticket(%d) to MainStation(%d)\n",
				global_value, i+1);
		}
		global_value--;
		
		/*****开锁*****/
		pthread_mutex_unlock(&lock);
		sleep(1);
	}

	ret = pthread_join(str_thread, &thread_return);
	if (ret != 0) {
		printf("pthread_join failed!\n");
		exit(1);
	}

	ret = pthread_mutex_destroy(&lock);
	if (ret != 0) {
		printf("pthread_mutex_destroy failed!\n");
		exit(1);
	}

	return 0;
}

• 结果分析:相比于上次,每一次输出全局变量就 -1 最后结果为 981
  

条件变量

1.什么是线程条件变量

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）。

2. 条件变量初始化

  原型：int pthread_cond_init (pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr);
    参数：cond： 条件变量指针
         attr：条件变量高级属性

3. 唤醒一个等待线程

原型： int pthread_cond_signal (pthread_cond_t *cond);
参数：cond：条件变量指针

4.唤醒所有等待该条件变量的线程

原型： int pthread_cond_broadcast (pthread_cond_t *cond);
参数：cond,  条件变量指针

5.等待条件变量/超时被唤醒

原型： int pthread_cond_timedwait (pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex, 
									const struct timespec *abstime);
参数：cond,  条件变量指针
      pthread_mutex_t *mutex 互斥量
      const struct timespec *abstime 等待被唤醒的绝对超时时间

6.等待条件变量被唤醒(一般使用这个)

原型： int pthread_cond_wait (pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);
参数：cond,  条件变量指针
      pthread_mutex_t *mutex 互斥量

常见错误码： [EINVAL] cond或mutex无效,
[EINVAL] 同时等待不同的互斥量
[EINVAL] 主调线程没有占有互斥量

7. 释放/销毁条件变量

pthread_cond_destroy  待销毁的条件变量 
原型： int pthread_cond_destroy (pthread_cond_t *cond);
参数：cond,  条件变量指针

main.c

效果：触发信号，子线程向终端打印数据

#include 
#include 
#include 

// 注意这里一定要定义为全局变量
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;

void *thread1(void *arg)
{

	while (1) {

		printf("thread1 is running\n");
		
		// 加锁
		pthread_mutex_lock(&mutex);
		printf("thread1 lock..\n");

		// 解锁-阻塞等待信号-信号来了-加锁-执行任务
		pthread_cond_wait(&cond, &mutex);


		// 执行任务
		printf("thread1 applied the condition\n");


		// 解锁
		printf("thread1 unlock..\n");
		pthread_mutex_unlock(&mutex);

		sleep(4);

	}
}


void *thread2(void *arg)
{

	while (1) {

		printf("thread2 is running\n");

		pthread_mutex_lock(&mutex);
		printf("thread2 lock..\n");

		pthread_cond_wait(&cond, &mutex);

		printf("thread2 applied the condition\n");

		printf("thread2 unlock..\n");
		pthread_mutex_unlock(&mutex);

		sleep(2);

	}

}

int main()
{

	pthread_t thid1, thid2;

	printf("condition variable study!\n");

	// 初始化互斥锁  效果上等同于初值为1的信号量
	// 初始化条件变量
	pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
	pthread_cond_init(&cond, NULL);

	// 创建两个线程
	pthread_create(&thid1, NULL, (void *)thread1, NULL);
	pthread_create(&thid2, NULL, (void *)thread2, NULL);

	// 不断发送信号，唤醒一个线程
	do {
		sleep(10);
		pthread_cond_signal(&cond);

	} while (1);


	return 0;

}

结果分析：为什么两个线程可以同时上锁？
因为 pthread_cond_wait(&cond, &mutex); 执行过程中有一个解锁的过程，所以是解锁后，另一个线程拿到锁。但是如果此线程被信号触发，那么也会立即上锁，执行任务。