[Linux系统编程]线程同步（五）

       距离上一次利用高并发技术实现360度行车记录仪功能已经过去半年了。开始写一系列关于系统编程和网络编程内容进行总结。
       温故而知新，欢迎大家讨论学习。

2021-09-08 复习内容：

• 复习代码
• 1 man 1 man 2 man 3 分别是标准命令 系统调用 和 库函数
• 编译需要 -l pthread 加载第三方库
• 什么叫第三方库呢：除本地类库、系统类库以外的类库，需要后来安装，才能调用的类库。C++常见第三方库参考
• 信号量那边的代码 如果是多生产者 都消费者就是错误的，因为没有处理生产者和生产者 或者 消费者和消费者之间互斥访问的问题。可能存在同时进入临界区。
• sem_init 初始化 分线程间 参数为0 进程间 参数为1 注意

2021-10-06 补充内容

• 条件变量虚假唤醒的问题
• 条件变量也叫做管程
• 生产者生产 上锁 生产 解锁 唤醒 ；消费者消费 上锁 while 判断阻塞 消费 释放锁。

1 同步的概念

• 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。
• 设备同步，是指在两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

2 线程同步的概念

• 线程同步简单说就是线程排队
• 线程同步是一种制约关系，一个线程的执行依赖另一个线程消息。
  当它没有得到另一个线程的消息时应等待，得到消息被唤醒
• 线程同步使得多个线程协调工作从而带到一致性

3 为什么要有线程同步

• 共享资源，多个线程都可对共享资源操作 [容易产生冲突]
• 线程操作共享资源的先后顺序不确定
• cpu处理器对存储器的操作一般不是原子操作

举个例子：
       两个线程都把全局变量增加1，这个操作平台需要三条指令完成
从内存读到寄存器 →寄存器的值加1 →将寄存器的值写会内存。
      如果此时线程A取值在寄存器修改还未写入内存，线程B就从内存取值就会导致两次操作实际上只修改过一次。或者说后一次线程做的事情覆盖前一次线程做的事情。实际上就执行过一次线程。

4 互斥量 mutex

4.1 基本概念

• 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。
  

4.2 函数使用

4.2.1 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。
• 变量 mutex 只有两种取值 1、0。

4.2.2 pthread_mutex_init 函数

作用：
初始化一个互斥锁—> 初值可看作 1

• int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr)
• 参 1：传出参数，调用时应传 &mutex
• 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)。

4.2.2.1静态初始化和动态初始化

1. 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;
2. 动态初始化：局部变量应采用动态初始化。e.g. pthread_mutex_init(&mutex, NULL)

4.2.3 pthread_mutex_destroy 函数

作用：
销毁一个互斥锁

• int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex)

4.2.4 pthread_mutex_lock 函数

作用：
加锁。可理解为将 mutex–（或 -1），操作后 mutex 的值为 0。

• int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

4.2.5 pthread_mutex_unlock 函数

作用：
解锁。可理解为将 mutex ++（或 +1），操作后 mutex 的值为 1。

• int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

4.2.6 pthread_mutex_trylock 函数

作用：
尝试加锁

• int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

4.3 加锁和解锁

4.3.1 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--。而 unlock 则将 mutex++。

4.3.2lock 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

5 读写锁

这部分内容在项目中没有使用过，如有需要，下次补充…

6 条件变量

6.1 基本概念

• 条件变量本身不是锁！但它也可以造成线程阻塞。通常与互斥锁配合使用。给多线程提供一个会合的场所。

6.2 为什么使用条件变量

• 线程抢占互斥锁时，线程A抢到了互斥锁，但是条件不满足，线程A就会让出互斥锁让给其他线程，然后等待其他线程唤醒他；一旦条件满足，线程就可以被唤醒，并且拿互斥锁去访问共享区。经过这中设计能让进程运行更稳定。

6.3 函数使用

6.3.1 pthread_cond_init 函数

作用：
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

6.3.1.1 静态初始化和动态初始化

静态初始化：

• pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER
  动态初始化：
• int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);

6.3.2 pthread_cond_destroy 函数

作用：
销毁一个条件变量

• int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

6.3.3 pthread_cond_wait 函数（重）

作用：（非常重要 三点）

1. 阻塞等待条件变量 cond（参 1）满足
2. 释放已掌握的互斥锁（解锁互斥量）相当于 pthread_mutex_unlock(&mutex);
3. 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);

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

1.2.两步为一个原子操作。

6.3.4 pthread_cond_timedwait 函数

作用：
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);

6.3.5 pthread_cond_signal 函数

作用：
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);

6.3.6 pthread_cond_broadcast 函数

作用：
唤醒全部阻塞在条件变量上的线程

• int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

6.4 [实例]生产者消费者模型

      代码不难，就是实现一个生产消费。如果没有商品了，消费者需要去等待。
      要求能够自助完整写完。

//链表是新生产的挂载头部 消费也从头部消费 
//当然也可以 初始化一个哨兵头结点 新的节点挂载尾巴 一个temp（初始化为哨兵头结点） 不断指向新节点的上一个 如果temp =head 表示位空也可以。
// head = temp
// temp->next =新结点
// temp =temp->next
//每次消费 就是 temp-> 估计这边还要一个双向链表 要不找不到上一个temp 所以还是挂在头结点好一点
# include
# include
# include
//静态的方式定义了一个互斥锁 和 一个条件变量
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t has_product=PTHREAD_COND_INITIALIZER;

struct msg
{
    struct msg* next;//指针域
    int num;//数据域
};

struct msg* head;//全局头指针
void * producer(void* p)
{
    struct msg* mp;//创建一个节点指针 毕竟生产 要加入到链表

    while(1)
    {
        mp=(struct msg*)malloc(sizeof(struct msg));s
        mp->num = rand()%1000+1;//放入一个1-1000的数
        printf("produce is %d\n",mp->num);
        pthread_mutex_lock(&lock);
        mp->next=head;//先看一一句 head作为上一个节点 当前节点挂载链表头部
        head=mp;//head变量保存头指针
        pthread_mutex_unlock(&lock);
        //唤醒消费者
        pthread_cond_signal(&has_product);
        sleep(rand()%5);

    }



}

void* consumer(void* p)
{
    struct msg* mp;
    while(1)
    {
        pthread_mutex_lock(&lock);
        while(head==NULL)
        {
            //空的时候 阻塞等待生产者
            pthread_cond_wait(&has_product,&lock);    
        }
        mp=head; //消费 取出头指针
        head=mp->next; //头指针后移
        pthread_mutex_unlock(&lock);
        printf("Consume is %d\n",mp->num);
        free(mp);//记得即使清空
        sleep(rand()%5);
    }
}
int main()
{
    pthread_t pid,cid;
    //创建两个线程 执行生产者和消费者
    pthread_create(&pid,NULL,producer,NULL);
    pthread_create(&cid,NULL,consumer,NULL);
    //等待线程结束，回收 无传出值 也是防止主线程提前退出main空间
    pthread_join(pid,NULL);
    pthread_join(cid,NULL);
   	pthread_mutex_destroy(&lock);
   	pthread_cond_destroy(&has_product);
 
    return 0;
}

6.5 条件变量的有优点

再三重复，条件变量不是锁，但是常常配合锁使用。

• 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。

7 信号量

7.1 基本概念

• 简单的说就是进化版的互斥锁（1~N）计数器
• 记录当前可利用的资源数，当资源数量<=0时会阻塞，当资源数量>时才开始进行操作，另外信号量的操作均为原子操作

7.2 函数使用

7.2.1 sem_init 函数

作用：
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

信号量的初值，决定了占用信号量的线程（进程）的个数。

7.2.2 sem_destroy 函数

作用：

销毁一个信号量

• int sem_destroy (sem_t *sem);

7.2.3 sem_wait 函数

作用：
给信号量加锁 –

• int sem_wait(sem_t *sem);

7.2.4 sem_post 函数

作用：
给信号量解锁 ++

• int sem_post(sem_t *sem);

7.2.5 sem_trywait 函数

作用：
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);

7.2.6 sem_timedwait 函数

作用：
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。
• 

7.3 [实例]生产者消费者模型

      根据注释，代码还是比较好理解的。两个信号量来控制，一个初始为0，表示一开始生产的数量为0.另外一个初始的数量是可以存放商品的空格数，初始化就是格子数N。
      要求直接写出下面代码。

补充 0425：互斥和条件变量的方式是我消费 你不能生产。 而两个信号量是你生产 我可以消费。毕竟环形的 不影响，最多你生产了，我不知道。就怕多个生产者 ，你格子放入了还没移到下一个格子我又重复放入了。

# include
# include
# include
# include
# define N 5
int queue[N];
sem_t blank_number,product_number;//两个信号量控制
void * producer(void*arg)//生产
{
    int p=0;
    while(1)
    {
        sem_wait(&blank_number);//空格的位置-1
        queue[p]=rand()%1000+1;//放入队列
        printf("product %d \n",queue[p]);
        sem_post(&product_number);//生产的数量+1
        p=(p+1)%N;//1-N 1-N 循环放入 模拟队列
        sleep(rand()%5);
    }
       
}
void * consumer(void* arg)//消费者
{
    int c=0;
    while(1)
    {
        sem_wait(&product_number);//产品数量-1
        printf("Consume %d\n",queue[c]);
        queue[c]=0;
        sem_post(&blank_number);//空格数量+1
        c=(c+1)%N;
        sleep(rand()%5);
    }
}
int main()
{
    sem_init(&blank_number,0,N);//空格的数量(剩余空间的位置)
    sem_init(&product_number,0,0);//已经生产的数量
    pthread_t pid,cid;
    pthread_create(&pid,NULL,producer,NULL);
    pthread_create(&cid,NULL,consumer,NULL);
    pthread_join(pid,NULL);
    pthread_join(cid,NULL);

}

补充-异步

异步处理就是,你现在问我问题,我可以不回答你,等我用时间了再处理你这个问题.同步不就反之了，同步信息被立即处理 – 直到信息处理完成才返回消息句柄；异步信息收到后将在后台处理一段时间 – 而早在信息处理结束前就返回消息句柄。

补充 两套信号量函数的区别！！

参考链接

总结

如有错误欢迎指出…