【Linux】线程同步&条件变量

目录

1 线程同步的引入

2 条件变量&线程同步&竞争条件的概念

3 条件变量相关函数

初始化

销毁

等待条件满足

唤醒等待

4 demo代码——理解条件变量&线程同步

5 为什么 pthread_cond_wait 需要互斥量?

6 条件变量使用规范

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1 线程同步的引入

例子生活化：

学校里有一间VIP自习室，只能让一个人在里面自习，为了保护使用者自习不被他人所打扰，配备以一把锁。张三是一个勤奋的学生，为了抢到VIP自习室的使用权，凌晨六点就已经到达了自习室开始了自习，并将自习室给锁上了。后面陆续过来的人就只能在自习室外面等待。某个时刻张三想要上厕所，为了不让别人在此期间进入自习室，出门的时候反手就把门给锁上了，所以在张三上厕所的期间，张三自习室里面自己的学习资料就可得到很好的保护起来。（第一个阶段：多线程访问临界资源的加锁保护，做到了互斥）张三上完厕所回来了，继续之前的自习活动。过了一会，张三由于没有吃早饭，肚子开始饿了起来，打算结束自习状态去吃东西。所以张三离开自习室，刚刚放下钥匙的时候，心里又想着吃完饭回来就可能要等待自习室的了，觉得不好，所以想要回去自习。由于钥匙和张三此时离的很近，之前等待钥匙的人离钥匙较远，所以此时竞争钥匙的时候，张三的竞争力大，又重新拿到了钥匙。所以其他人只能继续等待。接着，张三用钥匙开启了VIP自习室的门，刚把门锁上，张三的肚子又饿了起来，又重复了之前的动作。由于食物的资源在未来的一段时间里面，都无法到达，所以张三就一直在重复着锁与解锁的动作，没有进入学习的状态，而别人也没有得到锁的机会，从而也无法学习。（第二阶段：多线程按照规则锁与解锁，没错，但是不合理）后来，校方发现了VIP自习室的这个不合理的地方，就规定了：自习完毕的人，归还完钥匙之后，不能立即申请钥匙锁，而必须重新排队，在外面人也要进行等待排队。——在安全的规则下，多线程访问资源具有一定的顺序性，为了合理解决饥饿问题；提出了线程同步，让多线程协同工作！

2 条件变量&线程同步&竞争条件的概念

• 条件变量
  • 当一个线程互斥地访问某个变量时，它可能发现在其它线程改变状态之前，它什么也做不了。
  • 例如一个线程访问队列时，发现队列为空，它只能等待，只到其它线程将一个节点添加到队列中。这种情况就需要用到条件变量。
• 同步：在保证数据安全的前提下，让线程能够按照某种特定的顺序访问临界资源，从而有效避免饥饿问题，叫做同步
• 竞态条件：因为时序问题，而导致程序异常，我们称之为竞态条件。在线程场景下，这种问题也不难理解

3 条件变量相关函数

初始化

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,const pthread_condattr_t *restrict
attr);
        参数：
                 cond：要初始化的条件变量
                 attr：NULL（条件变脸的属性）

销毁

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond)

等待条件满足

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex);
        参数：
                cond：要在这个条件变量上等待
                mutex：互斥量

唤醒等待

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);//唤醒条件队列中所有的线程
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);//唤醒条件队列中的一个线程

4 demo代码——理解条件变量&线程同步

【解锁操作可以在任意一个线程中进行】

pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void* PthreadRoutine(void* args)
{
    const char* name=static_cast(args);
    while(true)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        cout<

【条件变量的使用】

#include 

using namespace std;

#include 
#include 

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

void *PthreadRoutine(void *args)
{
    const char *name = static_cast(args);
    while (true)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex); // 挂起等待，等待某个条件满足，等待其它线程唤醒该线程
        cout << name << " run" << endl;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
}
int main()
{
    pthread_t t[4];
    for (int i = 0; i < 4; ++i)
    {
        char *name = new char[64];
        snprintf(name, 64, "thread-%d", i + 1);
        pthread_create(t + i, nullptr, PthreadRoutine, name);
    }
    sleep(3);

    while (true)
    {
        pthread_cond_signal(&cond); // 唤醒一个线程
        sleep(1);
    }

    for (int i = 0; i < 4; ++i)
    {
        pthread_join(t[i], nullptr);
    }

    return 0;
}

5 为什么 pthread_cond_wait 需要互斥量?

• 条件等待是线程间同步的一种手段，如果只有一个线程，条件不满足，一直等下去都不会满足，所以必须要有一个线程通过某些操作，改变共享变量，使原先不满足的条件变得满足，并且友好的通知等待在条件变量上的线程。
• 条件不会无缘无故的突然变得满足了，必然会牵扯到共享数据的变化。所以一定要用互斥锁来保护。没有互斥锁就无法安全的获取和修改共享数据。 

• 按照上面的说法，我们设计出如下的代码：先上锁，发现条件不满足，解锁，然后等待在条件变量上不就行了，如下代码: 

// 错误的设计
pthread_mutex_lock(&mutex);
while (condition_is_false)

{
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        //解锁之后，等待之前，条件可能已经满足，信号已经发出，但是该信号可能被错过
        pthread_cond_wait(&cond);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
}
pthread_mutex_unlock(&mutex);

• 由于解锁和等待不是原子操作。调用解锁之后， pthread_cond_wait 之前，如果已经有其他线程获取到互斥量，摒弃条件满足，发送了信号，那么 pthread_cond_wait 将错过这个信号，可能会导致线程永远阻塞在这个 pthread_cond_wait 。所以解锁和等待必须是一个原子操作。
• int pthread_cond_wait(pthread_cond_ t *cond,pthread_mutex_ t * mutex); 进入该函数后，会去看条件量等于0不？等于，就把互斥量变成1，直到cond_ wait返回，把条件量改成1，把互斥量恢复成原样。

6 条件变量使用规范

等待条件代码

pthread_mutex_lock(&mutex);
while (条件为假）//细节：解除等待的时候，判断条件是否满足，确保解除等待后任何时候条件都是满足的
        pthread_cond_wait(cond, mutex);
修改条件
pthread_mutex_unlock(&mutex);

给条件发送信号代码

pthread_mutex_lock(&mutex);
设置条件为真
pthread_cond_signal(cond);
pthread_mutex_unlock(&mutex);