Linux多线程 互斥锁与条件变量使用
2013/6/7 caichengyu
如果你认真看下去，必将学习到不少知识，如有错还希望您提出来~
一、互斥锁
为什么要使用锁？
linux下，锁的种类很多，包括互斥锁，文件锁，读写锁······其实信号量说白了也是一种锁。互斥量从本质上说就是一把锁, 提供对共享资源的保护访问。
1. 初始化:
线程的互斥量数据类型是pthread_mutex_t，使用之前要初始化。
静态初始化：
pthread_mutex_t testlock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER
动态初始化：
pthread_mutex_t testlock;
pthread_mutex_init(&testlock, NULL);
原型:
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrictmutex, constpthread_mutexattr_t *restric attr);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
返回值: 成功则返回0, 出错则返回错误编号.
说明: 如果使用默认的属性初始化互斥量, 只需把attr设为NULL. 其他值在以后讲解。
2. 互斥操作:
对共享资源的访问,要对互斥量进行加锁,如果互斥量已经上了锁,调用线程会阻塞,直到互斥量被解锁.在完成了对共享资源的访问后,要对互斥量进行解锁。
2.1 加锁函数:
原型:
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
返回值: 成功则返回0, 出错则返回错误编号.
说明:
trylock函数：
这个函数是非阻塞调用模式。也就是说,如果互斥量没被锁住,trylock函数将把互斥量加锁,并获得对共享资源的访问权限;如果互斥量被锁住了, trylock函数将不会阻塞等待而直接返回EBUSY,表示共享资源处于忙状态。
3.2解所函数:
原型: int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
返回值: 成功则返回0, 出错则返回错误编号.
3. 死锁:
死锁主要发生在有多个依赖锁存在时, 会在一个线程试图以与另一个线程相反顺序锁住互斥量时发生. 如何避免死锁是使用互斥量应该格外注意的东西。
防止死锁:
① 对共享资源操作前一定要获得锁。
② 完成操作以后一定要释放锁。
③ 尽量短时间地占用锁。
④ 如果有多锁, 如获得顺序是ABC连环扣, 释放顺序也应该是ABC。
⑤ 线程错误返回时应该释放它所获得的锁。
下面给个测试小程序进一步了解互斥，一个好的例子让你明白很多。
mutex互斥信号量锁住的不是一个变量，而是阻塞住一段程序。如果对一个mutex变量testlock, 执行了第一次pthread_mutex_lock(testlock)之后，在unlock(testlock)之前的这段时间内，如果有其他线程也执行到了pthread_mutex_lock(testlock)，这个线程就会阻塞住，直到之前的线程unlock之后才能执行，由此，实现同步，也就达到保护临界区资源的目的。
原版程序：
#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
static pthread_mutex_t testlock;
pthread_t test_thread;
void *test()
{
pthread_mutex_lock(&testlock);
printf("threadTest() \n");
pthread_mutex_unlock(&testlock);
}
int main()
{
pthread_mutex_init(&testlock,NULL);
pthread_mutex_lock(&testlock);
printf("Mainlock \n");
pthread_create(&test_thread,NULL, test, NULL);
sleep(1);//更加明显的观察到是否执行了创建线程的互斥锁
printf("Main unlock \n");
pthread_mutex_unlock(&testlock);
sleep(1);
pthread_join(test_thread,NULL);
pthread_mutex_destroy(&testlock);
return 0;
}
make
gcc -D_REENTRANT -lpthread -o test test.c
结果：
Main lock
Main unlock
thread Test()
.
二、条件变量
为什么要先讲互斥锁 再讲 条件变量 呢？
条件变量的使用总是结合互斥锁，为防止竞争。
两个步骤：
a. 线程等待"条件变量的条件成立"而挂起。pthread_cond_wait()
b. 线程使"条件成立"（给出条件成立信号）。pthread_cond_signal()
1．创建和注销
1.1创建
静态方式：
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER
动态方式：
pthread_cond_t cond；
pthread_cond_init(cond, NULL);
函数：
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr)
尽管POSIX标准中为条件变量定义了属性，但在LinuxThreads中没有实现，因此cond_attr值通常为NULL，且被忽略。
1.2注销：
只有在没有线程在该条件变量上等待的时候才能注销这个条件变量，否则返回EBUSY。因为Linux实现的条件变量没有分配什么资源，所以注销动作只包括检查是否有等待线程。
函数：
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond)
2．等待和激发
2.1 等待
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)
1) 无条件等待pthread_cond_wait()
2) 计时等待pthread_cond_timedwait()
[计时等待方式：如果在给定时刻前条件没有满足，则返回ETIMEOUT，结束等待。]
无论哪种等待方式，都必须和一个互斥锁配合，以防止多个线程同时请求pthread_cond_wait()（或pthread_cond_timedwait()，下同）的竞争条件（Race Condition）。
mutex互斥锁必须是普通锁（PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP）或者适应锁（PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP），且在调用pthread_cond_wait()前必须由本线程加锁（pthread_mutex_lock()），而在更新条件等待队列以前，mutex保持锁定状态，并在线程挂起进入等待前解锁。
在条件满足从而离开pthread_cond_wait()之前，mutex将被重新加锁，以与进入pthread_cond_wait()前的加锁动作对应。执行pthread_cond_wait()时自动解锁互斥量(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。
2.2激发
pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond)
发送信号
注意：要先让pthread_cond_wait进入等待信号状态,才能调用pthread_cond_signal发送信号,才有效，不能让pthread_cond_signal在pthread_cond_wait前面执行。
原版程序:
#include<stdio.h>
#include<pthread.h>//多线程所用头文件
#include<semaphore.h> //信号量使用头文件
pthread_cond_tg_cond /*=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER*/; //申明条锁,并用宏进行初始化
pthread_mutex_tg_mutex ;
//线程执行函数
voidthreadFun1(void)
{
int i;
pthread_mutex_lock(&g_mutex); //1
pthread_cond_wait(&g_cond,&g_mutex);//如g_cond无信号,则阻塞
for( i = 0;i < 2; i++ ){
printf("thread threadFun1.\n");
sleep(1);
}
pthread_cond_signal(&g_cond);
pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
}
int main(void)
{
pthread_t id1; //线程的标识符
pthread_t id2;
pthread_cond_init(&g_cond,NULL); //也可以程序里面初始化
pthread_mutex_init(&g_mutex,NULL); //互斥变量初始化
int i,ret;
ret = pthread_create(&id1,NULL,(void *)threadFun1, NULL);
if ( ret!=0 ) { //不为0说明线程创建失败
printf ("Create pthread1 error!\n");
exit (1);
}
sleep(5); //等待子线程先开始
pthread_mutex_lock(&g_mutex); //2
//给个开始信号,注意这里要先等子线程进入等待状态在发信号,否则无效
pthread_cond_signal(&g_cond);
pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
pthread_join(id1,NULL);
pthread_cond_destroy(&g_cond); //释放
pthread_mutex_destroy(&g_mutex); //释放
return 0;
}
我程序：
pthread_cond_t g_cond/*=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER*/; //申明条锁,并用宏进行初始化
pthread_mutex_t g_mutex ;
void Thread1(void)
{
inti;
printf( "thread1 : lock\n" );
pthread_mutex_lock(&g_mutex);
printf( "thread1 : cond wait\n" );
pthread_cond_wait(&g_cond,&g_mutex);//如g_cond无信号,则阻塞
for(i = 0;i < 2; i++ )
{
printf("thread1: thread1.\n");
sleep(1);
}
//printf( "thread1 : cond signal\n" );
//pthread_cond_signal(&g_cond);
printf("thread1 : unlock\n" );
pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
}
int condtest(void)
{
pthread_tid1; //线程的标识符
pthread_tid2;
pthread_cond_init(&g_cond,NULL);//也可以程序里面初始化
pthread_mutex_init(&g_mutex,NULL);//互斥变量初始化
inti,ret;
ret= pthread_create(&id1,NULL,(void *)Thread1, NULL);
if( ret!=0 )
{ //不为0说明线程创建失败
printf ("Create pthread1error!\n");
exit (1);
}
sleep(5);//等待子线程先开始
printf( "main : lock\n" );
pthread_mutex_lock(&g_mutex);//
printf( "main : cond signal\n" );
pthread_cond_signal(&g_cond);//给个开始信号,注意这里要先等子线程进入等待状态在发信号,否则无效
printf( "main : unlock\n" );
pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
sleep(3);
printf( "main : join\n" );
pthread_join(id1,NULL);
pthread_cond_destroy(&g_cond);//释放
pthread_mutex_destroy(&g_mutex);//释放
return0;
}
/*
试验出真理，这样便于理解。
结果：
thread1 : lock
thread1 : cond wait
main : lock
main : cond signal
main : unlock
thread1: thread1.
thread1: thread1.
thread1 : cond signal
thread1 : unlock
main : join
*/
解析：
1) 因为main函数有sleep(5);所有先执行线程threadFun1,执行了加锁，然后进入条件等待（主要条件等待会先进行解锁，然后等待）。
2) 当main函数中5秒延时结束后，进行加锁操作，并向threadFun1中的条件等待函数发送信号（此时threadFun1接收到信号，本来要加锁，但是main函数加锁了，所有阻塞在那）。
3) main函数发送信号结束，进行解锁，此时threadFun1就可加锁，便执行threadFun1函数。
当程序进入pthread_cond_wait等待后，将会把g_mutex进行解锁，当离开pthread_cond_wait之前，g_mutex会重新加锁。
补充知识：
互斥锁属性
* PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP，这是缺省值，也就是普通锁。当一个线程加锁以后，其余请求锁的线程将形成一个等待队列，并在解锁后按优先级获得锁。这种锁策略保证了资源分配的公平性。 互斥锁的属性在创建锁的时候指定，在LinuxThreads实现中仅有一个锁类型属性，不同的锁类型在试图对一个已经被锁定的互斥锁加锁时表现不同。当前（glibc2.2.3,linuxthreads0.9）有四个值可供选择：
* PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP，嵌套锁，允许同一个线程对同一个锁成功获得多次，并通过多次unlock解锁。如果是不同线程请求，则在加锁线程解锁时重新竞争。
* PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP，检错锁，如果同一个线程请求同一个锁，则返回EDEADLK，否则与PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP类型动作相同。这样就保证当不允许多次加锁时不会出现最简单情况下的死锁。
* PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP，适应锁，动作最简单的锁类型，仅等待解锁后重新竞争。
接下来这些经典程序我就没去分析了，有空再分析。
现在来看一段典型的应用：看注释即可。
#include <pthread.h>
#include <unistd.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) {
pthread_mutex_lock(&mtx); //这个mutex主要是用来保证pthread_cond_wait的并发性
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(&cond, &mtx);
// 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*/
}
}
}
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
#include <pthread.h>
#define min(a,b) ((a) < (b) ? (a) : (b))
#define max(a,b) ((a) > (b) ? (a) : (b))
#define MAXNITEMS 1000000
#define MAXNTHREADS 100
int nitems; /* read-only by producer andconsumer */
struct {
pthread_mutex_t mutex;
int buff[MAXNITEMS];
int nput;
int nval;
} shared = { PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER };
void *produce(void *), *consume(void*);
/* include main */
int
main(int argc, char **argv)
{
int i, nthreads,count[MAXNTHREADS];
pthread_t tid_produce[MAXNTHREADS],tid_consume;
if (argc != 3) {
printf("usage: prodcons3 <#items> <#threads>\n");
return -1;
}
nitems = min(atoi(argv[1]), MAXNITEMS);
nthreads = min(atoi(argv[2]), MAXNTHREADS);
/* 4create all producers and one consumer */
for (i = 0; i < nthreads; i++) {
count[i] = 0;
pthread_create(&tid_produce[i], NULL, produce, &count[i]);
}
pthread_create(&tid_consume, NULL, consume, NULL);
/* 4wait for all producers and the consumer */
for (i = 0; i < nthreads; i++) {
pthread_join(tid_produce[i], NULL);
printf("count[%d] = %d\n", i, count[i]);
}
pthread_join(tid_consume, NULL);
exit(0);
}
/* end main */
void *
produce(void *arg)
{
for ( ; ; ) {
pthread_mutex_lock(&shared.mutex);
if (shared.nput >= nitems) {
pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
return(NULL); /* array is full,we're done */
}
shared.buff[shared.nput] = shared.nval;
shared.nput++;
shared.nval++;
pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
*((int *) arg) += 1;
}
}
/* include consume */
void
consume_wait(int i)
{
for ( ; ; ) {
pthread_mutex_lock(&shared.mutex);
if (i < shared.nput) {
pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
return; /* an item is ready */
}
pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
}
}
void *
consume(void *arg)
{
int i;
for (i = 0; i < nitems; i++) {
consume_wait(i);
if (shared.buff[i] != i)
printf("buff[%d] = %d\n", i, shared.buff[i]);
}
return(NULL);
}