Linux 线程同步的三种方法

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。

一、互斥锁(mutex)

通过锁机制实现线程间的同步。

1. 初始化锁。在Linux下，线程的互斥量数据类型是pthread_mutex_t。在使用前,要对它进行初始化。
   静态分配：pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
   动态分配：int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutex_attr_t *mutexattr);
   
2. 加锁。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。
   int pthread_mutex_lock(pthread_mutex *mutex);
   int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
   
3. 解锁。在完成了对共享资源的访问后，要对互斥量进行解锁。
   int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
   
4. 销毁锁。锁在是使用完成后，需要进行销毁以释放资源。
   int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex *mutex);
   

 #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

二、条件变量(cond)

互斥锁不同，条件变量是用来等待而不是用来上锁的。条件变量用来自动阻塞一个线程，直到某特殊情况发生为止。通常条件变量和互斥锁同时使用。条件变量分为两部分: 条件和变量。条件本身是由互斥量保护的。线程在改变条件状态前先要锁住互斥量。条件变量使我们可以睡眠等待某种条件出现。条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制，主要包括两个动作：一个线程等待"条件变量的条件成立"而挂起；另一个线程使"条件成立"（给出条件成立信号）。条件的检测是在互斥锁的保护下进行的。如果一个条件为假，一个线程自动阻塞，并释放等待状态改变的互斥锁。如果另一个线程改变了条件，它发信号给关联的条件变量，唤醒一个或多个等待它的线程，重新获得互斥锁，重新评价条件。如果两进程共享可读写的内存，条件变量可以被用来实现这两进程间的线程同步。

1. 初始化条件变量。
   静态态初始化，pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIER;
   动态初始化，int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr);
   
2. 等待条件成立。释放锁,同时阻塞等待条件变量为真才行。timewait()设置等待时间,仍未signal,返回ETIMEOUT(加锁保证只有一个线程wait)
   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);
   
3. 激活条件变量。pthread_cond_signal,pthread_cond_broadcast（激活所有等待线程）
   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
   
4. 清除条件变量。无线程等待,否则返回EBUSY
   int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
   

 #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;
 }

 #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;

 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
             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;
 }

三、信号量(sem)

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。

1. 信号量初始化。
   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。
   
2. 等待信号量。给信号量减1，然后等待直到信号量的值大于0。
   int sem_wait(sem_t *sem);
   
3. 释放信号量。信号量值加1。并通知其他等待线程。
   int sem_post(sem_t *sem);
   
4. 销毁信号量。我们用完信号量后都它进行清理。归还占有的一切资源。
   int sem_destroy(sem_t *sem);
   

 #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;
 }