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()
{
//如果不用PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER,可以使用pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
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。信号量代码摘自http://blog.csdn.net/wtz1985/article/details/3835781
参考:
【1】 http://www.cnblogs.com/feisky/archive/2009/11/12/1601824.html
【2】 http://www.cnblogs.com/mydomain/archive/2011/07/10/2102147.html
【3】 线程函数介绍
http://www.unix.org/version2/whatsnew/threadsref.html
【4】 http://www.yolinux.com/TUTORIALS/LinuxTutorialPosixThreads.html
【5】 线程常用函数简介
http://www.rosoo.net/a/201004/8954.html
【6】 条件变量
http://blog.csdn.net/hiflower/article/details/2195350
【7】条件变量函数说明