《OSTEP》条件变量（chap30）
〇、前言
本文是对《OSTEP》第三十章的实践与总结。
一、条件变量
#include 运行：
*** chap30_条件变量 % gcc -o a con_prodece.c
*** chap30_条件变量 % ./a
Assertion failed: (count == 0), function put, file con_prodece.c, line 10.
消费的值:0
Assertion failed: (count == 1), function get, file con_prodece.c, line 16.
zsh: abort ./a
可以看到，断言直接失败。
pthread_cond_t cond;
pthread_mutex_t mutex;
/***********第二版本**********/
// 生产者
void *producer(void *arg) {
int loops = *((int *)arg);
for (int i = 0; i < loops; i++) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
if (count == 1) {
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}
put(i);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
pthread_cond_signal(&cond);
}
return NULL;
}
// 消费者
void *consumer(void *arg) {
int loops = *((int *)arg);
for (int i = 0; i < loops; i++) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
if (count == 0) {
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}
int temp = get();
pthread_mutex_unlock(&mutex);
printf("消费:%d\n", temp);
pthread_cond_signal(&cond);
}
return NULL;
}
int main() {
// 初始化互斥锁和条件变量
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
pthread_cond_init(&cond, NULL);
pthread_t p1, p2;
int arg = 100;
pthread_create(&p1, NULL, producer, &arg);
pthread_create(&p2, NULL, consumer, &arg);
// 等待两个线程结束
pthread_join(p1, NULL);
pthread_join(p2, NULL);
// 销毁互斥锁和条件变量
pthread_mutex_destroy(&mutex);
pthread_cond_destroy(&cond);
return 0;
}
运行结果：
*** chap30_条件变量 % ./a
消费:0
消费:1
消费:2
消费:3
...
消费:95
消费:96
消费:97
消费:98
消费:99
可以看到，在两个线程的情况下，工作的很好。
/***********第三版本**********/
// 生产者
void *producer(void *arg) {
int loops = *((int *)arg);
for (int i = 0; i < loops; i++) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
if (count == 1) {
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}
put(i);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
pthread_cond_signal(&cond);
}
return NULL;
}
// 消费者
void *consumer(void *arg) {
int loops = *((int *)arg);
for (int i = 0; i < loops; i++) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
if (count == 0) {
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}
int temp = get();
pthread_mutex_unlock(&mutex);
printf("消费:%d\n", temp);
pthread_cond_signal(&cond);
}
return NULL;
}
int main() {
// 初始化互斥锁和条件变量
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
pthread_cond_init(&cond, NULL);
pthread_t p1, p2, p3;
int arg = 100;
int arg1 = 50;
int arg2 = 50;
pthread_create(&p1, NULL, producer, &arg);
pthread_create(&p2, NULL, consumer, &arg1);
pthread_create(&p3, NULL, consumer, &arg2);
// 等待两个线程结束
pthread_join(p1, NULL);
pthread_join(p2, NULL);
pthread_join(p3, NULL);
// 销毁互斥锁和条件变量
pthread_mutex_destroy(&mutex);
pthread_cond_destroy(&cond);
return 0;
}
运行结果：
*** chap30_条件变量 % gcc -o a con_prodece2.c
*** chap30_条件变量 % ./a
消费:0
消费:1
Assertion failed: (count == 1), function get, file con_prodece2.c, line 18.
zsh: abort ./a
可以看到，再增加了一个消费线程之后，出现了断言错误。这是因为出现了假唤醒，使得某个线程醒来后，断言错误。解决方法很简单，直接将 if()换成 while():
/***********第三版本**********/
// 解决虚假唤醒
// 生产者
void *producer(void *arg) {
int loops = *((int *)arg);
for (int i = 0; i < loops; i++) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
while (count == 1) {
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}
put(i);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
pthread_cond_signal(&cond);
}
return NULL;
}
// 消费者
void *consumer(void *arg) {
int loops = *((int *)arg);
for (int i = 0; i < loops; i++) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
while (count == 0) {
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}
int temp = get();
pthread_mutex_unlock(&mutex);
printf("消费:%d\n", temp);
pthread_cond_signal(&cond); // 在解锁之后发出信号
}
return NULL;
}
int main() {
// 初始化互斥锁和条件变量
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
pthread_cond_init(&cond, NULL);
pthread_t p1, p2, p3;
int arg = 100;
int arg1 = 50;
int arg2 = 50;
pthread_create(&p1, NULL, producer, &arg);
pthread_create(&p2, NULL, consumer, &arg1);
pthread_create(&p3, NULL, consumer, &arg2);
// 等待两个线程结束
pthread_join(p1, NULL);
pthread_join(p2, NULL);
pthread_join(p3, NULL);
// 销毁互斥锁和条件变量
pthread_mutex_destroy(&mutex);
pthread_cond_destroy(&cond);
return 0;
}
运行结果：
luliang@shenjian chap30_条件变量 % ./a
消费:0
消费:2
消费:1
消费:3
消费:4
消费:5
...
可以看到会卡住，这其实是由于三个线程都睡眠导致的，这种情况是怎么发生的呢？
假设生产者唤醒了第一个消费者，消费者又恰巧唤醒了第二个生产者，第二个生产者被唤醒之后又睡眠。这样三个线程都在睡眠。解决问题的办法就是消费者只能唤醒生产者，生产者只能唤醒消费者。以下就是终极版本的代码：
#include 运行结果：
*** chap30_条件变量 % gcc -o a con_prodece3.c
*** chap30_条件变量 % ./a
消费:0
消费:2
消费:1
...
消费:97
消费:98
消费:99
可以看到运行得很好，成功地解决了并发、虚假唤醒以及全部线程都睡眠的情况。
二、总结
我们看到了引入锁之外的另一个重要同步原语：条件变量。当某些程序状态不符合要求时，通过允许线程进入休眠状态，条件变量使我们能够漂亮地解决许多重要的同步问题，包括著名的（仍然重要的）生产者/消费者问题，以及覆盖条件。