Linux多线程同步的几种方式

线程的最大特点是资源的共享性，但资源共享中的同步问题是多线程编程的难点。linux下提供了多种方式来处理线程同步，最常用的是互斥锁、条件变量和信号量。

1）互斥锁（mutex）

    通过锁机制实现线程间的同步。同一时刻只允许一个线程执行一个关键部分的代码。

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,const pthread_mutex_attr_t *mutexattr);

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex *mutex);

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex *mutex);

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex *

(1)先初始化锁init()或静态赋值pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIER

attr_t有:

PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP:其余线程等待队列

PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP:嵌套锁,允许线程多次加锁,不同线程,解锁后重新竞争

PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP:检错,与一同,线程请求已用锁,返回EDEADLK;

PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP:适应锁,解锁后重新竞争

(2)加锁,lock,trylock,lock阻塞等待锁,trylock立即返回EBUSY

(3)解锁,unlock需满足是加锁状态,且由加锁线程解锁

(4)清除锁,destroy(此时锁必需unlock,否则返回EBUSY,//Linux下互斥锁不占用内存资源

示例代码

 

#include <cstdio>

#include <cstdlib>

#include <unistd.h>

#include <pthread.h>

#include "iostream"



using namespace std;



pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

int tmp;



void* thread(void *arg)

{

    cout << "thread id is " << pthread_self() << endl;

    pthread_mutex_lock(&mutex);

    tmp = 12;

    cout << "Now a is " << tmp << endl;

    pthread_mutex_unlock(&mutex);

    return NULL;

}



int main()

{

    pthread_t id;

    cout << "main thread id is " << pthread_self() << endl;

    tmp = 3;

    cout << "In main func tmp = " << tmp << endl;

    if (!pthread_create(&id, NULL, thread, NULL))

    {

        cout << "Create thread success!" << endl;

    }

    else

    {

        cout << "Create thread failed!" << endl;

    }

    pthread_join(id, NULL);

    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    return 0;

}

编译： g++ -o thread testthread.cpp -lpthread

说明：pthread库不是Linux系统默认的库，连接时需要使用静态库libpthread.a，所以在使用pthread_create()创建线程，以及调用pthread_atfork()函数建立fork处理程序时，需要链接该库。在编译中要加 -lpthread参数。

 

2）条件变量（cond）

    利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制。条件变量上的基本操作有：触发条件(当条件变为 true 时)；等待条件，挂起线程直到其他线程触发条件。

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond,pthread_condattr_t *cond_attr);   

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

int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex *mutex,const timespec *abstime);

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);  //解除所有线程的阻塞

(1)初始化.init()或者pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIER（前者为动态初始化，后者为静态初始化）;属性置为NULL

(2)等待条件成立.pthread_wait,pthread_timewait.wait()释放锁,并阻塞等待条件变量为真，timewait()设置等待时间,仍未signal,返回ETIMEOUT(加锁保证只有一个线程wait)

(3)激活条件变量:pthread_cond_signal,pthread_cond_broadcast(激活所有等待线程)

(4)清除条件变量:destroy;无线程等待,否则返回EBUSY

对于

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 *abstime);

一定要在mutex的锁定区域内使用。

    如果要正确的使用pthread_mutex_lock与pthread_mutex_unlock，请参考

pthread_cleanup_push和pthread_cleanup_pop宏，它能够在线程被cancel的时候正确的释放mutex！

    另外，posix1标准说，pthread_cond_signal与pthread_cond_broadcast无需考虑调用线程是否是mutex的拥有者，也就是说，可以在lock与unlock以外的区域调用。如果我们对调用行为不关心，那么请在lock区域之外调用吧。

说明：

    (1)pthread_cond_wait 自动解锁互斥量(如同执行了pthread_unlock_mutex)，并等待条件变量触发。这时线程挂起，不占用CPU时间，直到条件变量被触发（变量为ture）。在调用 pthread_cond_wait之前，应用程序必须加锁互斥量。pthread_cond_wait函数返回前，自动重新对互斥量加锁(如同执行了pthread_lock_mutex)。

    (2)互斥量的解锁和在条件变量上挂起都是自动进行的。因此，在条件变量被触发前，如果所有的线程都要对互斥量加锁，这种机制可保证在线程加锁互斥量和进入等待条件变量期间，条件变量不被触发。条件变量要和互斥量相联结，以避免出现条件竞争――个线程预备等待一个条件变量，当它在真正进入等待之前，另一个线程恰好触发了该条件（条件满足信号有可能在测试条件和调用pthread_cond_wait函数（block）之间被发出，从而造成无限制的等待）。

(3)pthread_cond_timedwait 和 pthread_cond_wait 一样，自动解锁互斥量及等待条件变量，但它还限定了等待时间。如果在abstime指定的时间内cond未触发，互斥量mutex被重新加锁，且pthread_cond_timedwait返回错误 ETIMEDOUT。abstime 参数指定一个绝对时间，时间原点与 time 和gettimeofday 相同：abstime = 0 表示 1970年1月1日00:00:00 GMT。

(4)pthread_cond_destroy 销毁一个条件变量，释放它拥有的资源。进入 pthread_cond_destroy 之前，必须没有在该条件变量上等待的线程。

    (5)条件变量函数不是异步信号安全的，不应当在信号处理程序中进行调用。特别要注意，如果在信号处理程序中调用 pthread_cond_signal 或pthread_cond_boardcast 函数，可能导致调用线程死锁。

示例程序1

 

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include "stdlib.h"
#include "unistd.h"

pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;

void hander(void *arg)
{
    free(arg);
    (void)pthread_mutex_unlock(&mutex);
}

void *thread1(void *arg)
{
     pthread_cleanup_push(hander, &mutex);
     while(1)
     {
         printf("thread1 is running\n");
         pthread_mutex_lock(&mutex);
         pthread_cond_wait(&cond,&mutex);
         printf("thread1 applied the condition\n");
         pthread_mutex_unlock(&mutex);
         sleep(4);
     }
     pthread_cleanup_pop(0);
}

void *thread2(void *arg)
{
    while(1)
    {
        printf("thread2 is running\n");
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        pthread_cond_wait(&cond,&mutex);
        printf("thread2 applied the condition\n");
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
     pthread_t thid1,thid2;
     printf("condition variable study!\n");
     pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
     pthread_cond_init(&cond,NULL);
     pthread_create(&thid1,NULL,thread1,NULL);
     pthread_create(&thid2,NULL,thread2,NULL);
     sleep(1);
     do
     {
         pthread_cond_signal(&cond);
     }while(1);
     sleep(20);
     pthread_exit(0);
     return 0;
}

示例程序2：

#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"

static pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
static pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

struct node
{
     int n_number;
     struct node *n_next;
} *head = NULL;

/*[thread_func]*/
static void cleanup_handler(void *arg)
{
     printf("Cleanup handler of second thread./n");
     free(arg);
     (void)pthread_mutex_unlock(&mtx);
}

static void *thread_func(void *arg)
{
     struct node *p = NULL;
     pthread_cleanup_push(cleanup_handler, p);
     while (1)
     {
         //这个mutex主要是用来保证pthread_cond_wait的并发性
         pthread_mutex_lock(&mtx);
         while (head == NULL)
         {
         //这个while要特别说明一下，单个pthread_cond_wait功能很完善，为何
         //这里要有一个while (head == NULL)呢？因为pthread_cond_wait里的线
         //程可能会被意外唤醒，如果这个时候head != NULL，则不是我们想要的情况。
         //这个时候，应该让线程继续进入pthread_cond_wait
         // pthread_cond_wait会先解除之前的pthread_mutex_lock锁定的mtx，
         //然后阻塞在等待对列里休眠，直到再次被唤醒（大多数情况下是等待的条件成立
         //而被唤醒，唤醒后，该进程会先锁定先pthread_mutex_lock(&mtx);，再读取资源
         //用这个流程是比较清楚的/*block-->unlock-->wait() return-->lock*/
         pthread_cond_wait(&cond, &mtx);
         p = head;
         head = head->n_next;
         printf("Got %d from front of queue/n", p->n_number);
         free(p);
          }
          pthread_mutex_unlock(&mtx); //临界区数据操作完毕，释放互斥锁
     }
     pthread_cleanup_pop(0);
     return 0;
}

int main(void)
{
     pthread_t tid;
     int i;
     struct node *p;
     //子线程会一直等待资源，类似生产者和消费者，但是这里的消费者可以是多个消费者，而
     //不仅仅支持普通的单个消费者，这个模型虽然简单，但是很强大
     pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
     sleep(1);
     for (i = 0; i < 10; i++)
     {
         p = (struct node*)malloc(sizeof(struct node));
         p->n_number = i;
         pthread_mutex_lock(&mtx); //需要操作head这个临界资源，先加锁，
         p->n_next = head;
         head = p;
         pthread_cond_signal(&cond);
         pthread_mutex_unlock(&mtx); //解锁
         sleep(1);
     }
     printf("thread 1 wanna end the line.So cancel thread 2./n");

     //关于pthread_cancel，有一点额外的说明，它是从外部终止子线程，子线程会在最近的取消点，退出
     //线程，而在我们的代码里，最近的取消点肯定就是pthread_cond_wait()了。
     pthread_cancel(tid);
     pthread_join(tid, NULL);
     printf("All done -- exiting/n");
     return 0;
}

3）信号量

    如同进程一样，线程也可以通过信号量来实现通信，虽然是轻量级的。

    信号量函数的名字都以"sem_"打头。线程使用的基本信号量函数有四个。

#include <semaphore.h>

int sem_init (sem_t *sem , int pshared, unsigned int value);

    这是对由sem指定的信号量进行初始化，设置好它的共享选项（linux 只支持为0，即表示它是当前进程的局部信号量），然后给它一个初始值VALUE。

两个原子操作函数：

int sem_wait(sem_t *sem);

int sem_post(sem_t *sem);

    这两个函数都要用一个由sem_init调用初始化的信号量对象的指针做参数。

sem_post：给信号量的值加1；

sem_wait:给信号量减1；对一个值为0的信号量调用sem_wait,这个函数将会等待直到有其它线程使它不再是0为止。

int sem_destroy(sem_t *sem);

    这个函数的作用是再我们用完信号量后都它进行清理。归还自己占有的一切资源。

 

示例代码：

 

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <errno.h>

#define return_if_fail(p) if((p) == 0){printf ("[%s]:func error!/n", __func__);return;}

typedef struct _PrivInfo
{
  sem_t s1;
  sem_t s2;
  time_t end_time;
}PrivInfo;

static void info_init (PrivInfo* thiz);
static void info_destroy (PrivInfo* thiz);
static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz);
static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz);

int main (int argc, char** argv)
{
  pthread_t pt_1 = 0;
  pthread_t pt_2 = 0;
  int ret = 0;
  PrivInfo* thiz = NULL;

  thiz = (PrivInfo* )malloc (sizeof (PrivInfo));
  if (thiz == NULL)
  {
    printf ("[%s]: Failed to malloc priv./n");
    return -1;
  }

  info_init (thiz);

  ret = pthread_create (&pt_1, NULL, (void*)pthread_func_1, thiz);
  if (ret != 0)
  {
    perror ("pthread_1_create:");
  }

  ret = pthread_create (&pt_2, NULL, (void*)pthread_func_2, thiz);
  if (ret != 0)
  {
     perror ("pthread_2_create:");
  }

  pthread_join (pt_1, NULL);
  pthread_join (pt_2, NULL);

  info_destroy (thiz);

  return 0;
}

static void info_init (PrivInfo* thiz)
{
  return_if_fail (thiz != NULL);

  thiz->end_time = time(NULL) + 10;

  sem_init (&thiz->s1, 0, 1);
  sem_init (&thiz->s2, 0, 0);

  return;
}

static void info_destroy (PrivInfo* thiz)
{
  return_if_fail (thiz != NULL);

  sem_destroy (&thiz->s1);
  sem_destroy (&thiz->s2);

  free (thiz);
  thiz = NULL;

  return;
}

static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz)
{
  return_if_fail (thiz != NULL);

  while (time(NULL) < thiz->end_time)
  {
    sem_wait (&thiz->s2);
    printf ("pthread1: pthread1 get the lock./n");

    sem_post (&thiz->s1);
    printf ("pthread1: pthread1 unlock/n");

    sleep (1);
  }

  return;
}

static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz)
{
  return_if_fail (thiz != NULL);

  while (time (NULL) < thiz->end_time)
  {
    sem_wait (&thiz->s1);
    printf ("pthread2: pthread2 get the unlock./n");

    sem_post (&thiz->s2);
    printf ("pthread2: pthread2 unlock./n");

    sleep (1);
  }

  return;
}