Linux中多线程同步

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;
    }
通过执行结果后，可以看出，会先执行线程二的函数，然后再执行线程一的函数。它们两就实现了同步。在上大学的时候，虽然对这些概念知道，可都没有实践过，所以有时候时间一久就会模糊甚至忘记，到了工作如果还保持这么一种状态，那就太可怕了。虽然现在外面的技术在不断的变化更新，可是不管怎么变，其核心技术还是依旧的，所以我们必须要打好自己的基础，再学习其他新的知识，那时候再学新的知识也会觉得比较简单的。