Linux 线程同步、互斥锁、避免死锁、条件变量

1. 线程同步概述

线程同步定义

线程同步，指的是控制多线程间的相对执行顺序，从而在线程间正确、有序地共享数据，以下为线程同步常见使用场合。

• 多线程执行的任务在顺序上存在依赖关系
• 线程间共享数据只能同时被一个线程使用

线程同步方法

在实际项目中，经常使用的线程同步方法主要分为三种：

• 互斥锁
• 条件变量
• Posix信号量（包括有名信号量和无名信号量）

本节内容只介绍互斥锁和条件变量，Posix信号量后续在Posix IPC专题中介绍。

2. 互斥锁

互斥锁概念

互斥锁用于确保同一时间只有一个线程访问共享数据，使用方法为：

• 加锁
• 访问共享数据
• 解锁

对互斥锁加锁后，任何其他试图再次对其加锁的线程都会被阻塞，直到当前线程释放该互斥锁，解锁时所有阻塞线程都会变成可运行状态，但究竟哪个先运行，这一点是不确定的。

互斥锁基本API

初始化与销毁

互斥锁是用pthread_mutex_t数据类型表示的，在使用互斥锁之前，需要先进行初始化，初始化方法有两种：

• 设置为常量PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER，只适用于静态分配的互斥锁
• 调用pthread_mutex_init函数，静态分配和动态分配的互斥锁都可以

互斥锁使用完以后，可以调用pthread_mutex_destroy进行销毁，尤其是对于动态分配的互斥锁，在释放内存前，调用pthread_mutex_destroy是必须的。

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

//两个函数的返回值：成功返回0，失败返回错误编号
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

其中，pthread_mutex_init的第二个参数attr用于设置互斥锁的属性，如果要使用默认属性，只需把attr设为NULL。

上锁与解锁

//两个函数的返回值：成功返回0，失败返回错误编号
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

对互斥锁上锁，需要调用pthread_mutex_lock，如果互斥锁已经上锁，调用线程将阻塞到该互斥锁被释放。
对互斥锁解锁，需要调用pthread_mutex_unlock。

两个特殊的上锁函数

尝试上锁

//成功返回0，失败返回错误编号
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

如果不希望调用线程阻塞，可以使用pthread_mutex_trylock尝试上锁：

• 若mutex未上锁，pthread_mutex_trylock将加锁成功，返回0
• 若mutex已上锁，pthread_mutex_trylock会加锁失败，返回EBUSY

限时上锁

//成功返回0，失败返回错误编号
int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *time);

pthread_mutex_timedlock是一个可以设置阻塞时间的上锁函数：

• 当mutex已上锁时，调用线程会阻塞设定的时间
• 当达到设定时间时，pthread_mutex_timedlock将加锁失败并解除阻塞，返回ETIMEDOUT

关于第二个参数time，有两点需要注意：

• time表示等待的绝对时间，需要将其设为当前时间 + 等待时间
• time是由struct timespec指定的，它由秒和纳秒来描述时间

示例代码

/*
 * 测试使用上述4个加锁函数
*/

#include 
#include 
#include 
#include 

pthread_mutex_t mutex1;
pthread_mutex_t mutex2;
pthread_mutex_t mutex3;

void *thread1_start(void *arg)
{
    pthread_mutex_lock(&mutex1);
    printf("thread1 has locked mutex1\n");
    sleep(2); //保证thread2执行时mutex1还未解锁
    pthread_mutex_unlock(&mutex1);
}

void *thread2_start(void *arg)
{
    if (pthread_mutex_trylock(&mutex2) == 0)
        printf("thread2 trylock mutex2 sucess\n");

    if (pthread_mutex_trylock(&mutex1) == EBUSY)
        printf("thread2 trylock mutex1 failed\n");
          
    pthread_mutex_unlock(&mutex2);
}

void *thread3_start(void *arg)
{
    struct timespec time;
    struct tm *tmp_time;
    char s[64];
    int err;
    
    pthread_mutex_lock(&mutex3);
    printf("thread3 has locked mutex3\n");
    
    /*获取当前时间，并转化为本地时间打印*/
    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &time);
    tmp_time = localtime(&time.tv_sec);
    strftime(s, sizeof(s), "%r", tmp_time);
    printf("current time is %s\n", s);
    
    /*设置time = 当前时间 + 等待时间10S*/
    time.tv_sec = time.tv_sec + 10;
    
    /*mutex3已上锁，这里会阻塞*/
    if (pthread_mutex_timedlock(&mutex3, &time) == ETIMEDOUT)
        printf("pthread_mutex_timedlock mutex3 timeout\n");
    
    /*再次获取当前时间，并转化为本地时间打印*/
    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &time);
    tmp_time = localtime(&time.tv_sec);
    strftime(s, sizeof(s), "%r", tmp_time);
    printf("the time is now %s\n", s);  
        
    pthread_mutex_unlock(&mutex3);
}

int main()
{     
    pthread_t tid1;
    pthread_t tid2;
    pthread_t tid3;
    
    /*测试pthread_mutex_lock和pthread_mutex_trylock*/
    pthread_mutex_init(&mutex1, NULL);
    pthread_mutex_init(&mutex2, NULL);
       
    pthread_create(&tid1, NULL, thread1_start, NULL);   
    pthread_create(&tid2, NULL, thread2_start, NULL);
    
    if (pthread_join(tid1, NULL) == 0)
    {
        pthread_mutex_destroy(&mutex1);
    }
    
    if (pthread_join(tid2, NULL) == 0)
    {
        pthread_mutex_destroy(&mutex2);
    }    
    
    /*测试pthread_mutex_timedlock*/
    pthread_mutex_init(&mutex3, NULL);
    pthread_create(&tid3, NULL, thread3_start, NULL);
      
    if (pthread_join(tid3, NULL) == 0)
    {
        pthread_mutex_destroy(&mutex3);
    }      
    
    return 0;
}

3. 避免死锁

线程的死锁概念

线程间死锁，指的是线程间相互等待临界资源而造成彼此无法继续执行的现象。

产生死锁的四个必要条件

• 互斥条件：资源同时只能被一个线程使用，此时若有其他线程请求该资源，则请求线程必须等待
• 不可剥夺条件：线程获得的资源在未使用完毕前，不能被其他线程抢夺，只能由获得该资源的线程主动释放
• 请求与保持条件：线程已经至少得到了一个资源，但又提出了新的资源请求，而新的资源已被其他线程占有，此时请求线程被阻塞，但对自己已获得的资源保持不放
• 循环等待条件：存在一个资源等待环，环中每一个线程都占有下一个线程所需的至少一个资源

直观上看，循环等待条件似乎和死锁的定义一样，其实不然，因为死锁定义中的要求更为严格：

• 循环等待条件要求P(i+1)需要的资源，至少有一个来自P(i)即可
• 死锁定义要求P(i+1)需要的资源，由且仅由P(i)提供

如何避免死锁

• 所有线程以相同顺序加锁
• 给所有的临界资源分配一个唯一的序号，对应的线程锁也分配同样的序号，系统中的所有线程按照严格递增的次序请求资源
• 使用pthread_mutex_trylock尝试加锁，若失败就放弃上锁，同时释放已占有的锁
• 使用pthread_mutex_timedlock限时加锁，若超时就放弃上锁，同时释放已占有的锁

4. 条件变量

条件变量概念

• 条件变量是线程另一种可用的同步机制，它给多线程提供了一个回合的场所
• 条件变量本身需要由互斥锁保护，线程在改变条件之前必须先上锁，其他线程在获得互斥锁之前不会知道条件发生了改变
• 条件变量和互斥锁一起使用，可以使线程以无竞争的方式等待特定条件的发生

条件变量基本API

初始化与销毁

条件变量是用pthread_cond_t数据类型表示的，和互斥锁类似，条件变量的初始化方法也有两种：

• 设置为常量PTHREAD_COND_INITIALIZER，只适用于静态分配的条件变量
• 调用pthread_cond_init函数，适用于静态分配和动态分配的条件变量

条件变量使用完以后，可以调用pthread_cond_destroy进行销毁，同样的，如果是动态分配的条件变量，在释放内存前，该操作也是必须的。

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

//两个函数的返回值：成功返回0，失败返回错误编号
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

其中，pthread_cond_init的第二个参数attr用于设置条件变量的属性，如果要使用默认属性，只需把attr设为NULL。

等待条件满足

//两个函数的返回值：成功返回0，失败返回错误编号
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *timeout);

可以调用pthread_cond_wait函数等待条件满足，使用步骤如下，传递给函数的互斥锁对条件进行保护，在条件满足之前，调用线程将一直阻塞。

• 调用线程将锁住的互斥量传给pthread_cond_wait
• pthread_cond_wait自动把调用线程放到等待条件的线程列表上，然后对互斥锁解锁
• 当条件满足，pthread_cond_wait返回时，互斥锁再次被锁住
• pthread_cond_wait返回后，调用线程再对互斥锁解锁

pthread_cond_timedwait是一个限时等待条件满足的函数，如果发生超时时条件还没满足，pthread_cond_timedwait将重新对互斥锁上锁，然后返回ETIMEDOUT错误。

注意：当条件满足从pthread_cond_wait和pthread_cond_timedwait返回时，调用线程必须重新计算条件，因为另一个线程可能已经在运行并改变了条件。

给线程发信号

有两个函数可以用于通知线程条件已经满足：

• pthread_cond_signal至少能唤醒一个等待该条件的线程
• pthread_cond_broadcast可以唤醒等待该条件的所有线程

//两个函数的返回值：成功返回0，失败返回错误编号
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

在调用上面两个函数时，我们说这是在给线程发信号，注意，一定要先获取互斥锁，再改变条件，然后给线程发信号，最后再对互斥锁解锁。

示例代码

/*
 * 结合使用条件变量和互斥锁进行线程同步
*/

#include 
#include 

static pthread_cond_t  cond;
static pthread_mutex_t mutex;
static int             cond_value;
static int             quit;

void *thread_signal(void *arg)
{
    while (!quit)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        cond_value++;                //改变条件，使条件满足
        pthread_cond_signal(&cond);  //给线程发信号 
        printf("signal send, cond_value: %d\n", cond_value);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(1);
    }    
}

void *thread_wait(void *arg)
{
    while (!quit)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        
        /*通过while (cond is true)来保证从pthread_cond_wait成功返回时，调用线程会重新检查条件*/
        while (cond_value == 0)
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
            
        cond_value--;
        printf("signal recv, cond_value: %d\n", cond_value);
        
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(1);
    } 
}

int main()
{     
    pthread_t tid1;
    pthread_t tid2;
    
    pthread_cond_init(&cond, NULL);
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
       
    pthread_create(&tid1, NULL, thread_signal, NULL);   
    pthread_create(&tid2, NULL, thread_wait, NULL);
    
    sleep(5);
    quit = 1;
    
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);
    
    pthread_cond_destroy(&cond);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
      
    return 0;
}

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