2017·0512_ Linux 线程同步的三种方法

来源：互联网发布：汤尼伯爵男装淘宝编辑：程序博客网时间：2024/05/21 00:15

2017·0512_ Linux 线程同步的三种方法

同步和异步的区别：
1、同步就是说多个任务之间是有先后关系的，一个任务需要等待另一个任务执行完毕才能继续执行。
2、异步就是说多个任务之间没有先后关系，不需要相互等待各做各的事。

同步编程方法：
1、信号量
2、互斥量

异步无需考虑资源冲突，不需特别处理。

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。

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);
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);
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);
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。

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);
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);
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
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。

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。
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);
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);
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;      }

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