多线程编程-线程同步方式介绍(二)

序言

上一篇文章中介绍了死锁和线程同步的几种方式：互斥锁，条件变量，读写锁。

本文将介绍线程同步的另外几种方式：自旋锁，信号量，Barriers。

1. 自旋锁（Spin Locks）

• 自旋锁适用的情况：锁被其他线程短期持有（很快会被释放），而且等待该锁的线程不希望在阻塞期间被取消调度，因为这会带来一些开销。

• 自旋锁与互斥锁的区别：

  • 互斥锁通过休眠的方式来阻塞线程。（线程被暂时取消调度，切换至其他可运行的线程）

  • 自旋锁通过忙等的方式来阻塞线程。（busy-waiting, spinning）（线程不会被取消调度，一直处于运行状态）

• 应用：

  • [1] 非抢占式内核中非常有用：比如在非抢占式内核中，中断处理程序是不能被休眠的，它们唯一可以使用的同步原语只有自旋锁。

  • [2] 在用户级并不十分有用：在分时调度类中运行的用户级线程可以被取消调度 - 当它的时间片用完或有一个更高有效级的线程到来的时候。

• 自旋锁的接口：

  • [1] 自旋锁初始化

    int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t *lock, int pshared);参数：    lock : 自旋锁变量指针    pshared : 自旋锁的只有一个属性，pshared代表线程进程共享同步属性，它指示了自旋锁如何获得。              pshared = PTHREAD_PROCESS_SHARED : 自旋锁可以被访问该锁的底层内存的线程获得，即使这些线程来自于不同的进程              pshared = PTHREAD_PROCESS_PRIVATE : 只能被本进程内初始化的线程获取。返回值：成功返回0，失败返回错误代码。

  • [2] 自旋锁枷锁

    int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t *lock);int pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t *lock);返回值：成功返回0，失败返回错误代码。要给自旋锁枷锁，可以调用lock和trylock。pthread_spin_lock()在获得锁之前，线程会一直自旋；pthread_spin_trylock()时线程不自旋，如果自旋锁不能立即获得，返回错误EBUSY。

  • [3] 自旋锁解锁
    

    不论使用lock还是tryklock上锁，都可以调用pthread_spin_unlock()解锁int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t *lock);返回值：成功返回0，失败返回错误代码。注意：不要调用会在持有自旋锁期间休眠的函数，由于自旋等待可能会浪费大量的CPU资源。

2. 信号量（Semaphore）

• 信号量：信号量是一种特殊的变量，一个信号量有一个相关联的整数值，该整数值大于等于0，它可以被增加或减小，但对其的关键访问被保证是原子操作。

  • 通过调用sem_wait对相应的整数值减1，即通常所说的P操作。若当前的信号量的值等于0，则该操作会阻塞线程

  • 另外一种通过sem_post对相应值加1，即通常说的V操作。

• 信号量分类：信号量（灯）可作如下分类

  • 二元灯：灯亮/灯灭两种状态，取值1/0。此时与互斥锁相似。

  • 多元灯：大于1的灯数，表示有多个资源，成为多元灯。

• 信号量适用的情况：信号量既可用于进程间同步，也可以用于线程间同步，这里介绍线程间信号量同步。

• 信号量函数接口：头文件 semaphore.h

  • [1] 初始化函数

    int sem_init(sem_t *sem, int pshared， unsigned int value); 参数：    sem : 信号量变量指针    pshared : 信号量类型，为0表示为当前进程的局部信号量，为1表示可以在多个进程间共享    value : sem的初始值返回值：调用成功返回0，失败返回-1

  • [2] 信号量值减一

    int sem_wait(sem_t *sem);  功能：以原子操作的方式将信号量的值减1参数：    sem：sem_init()初始化的信号量返回值：成功返回0，失败返回-1

  • [3] 信号量值加一

    int sem_post(sem_t *sem);  功能：以原子操作的方式将信号量的值加1返回值：成功返回0，失败返回-1

  • [4] 信号量清理函数

    int sem_destroy(sem_t *sem);返回值：成功返回0，失败返回-1

• 信号量和互斥锁的区别：总的来说，信号量的功能覆盖了互斥锁的功能

  • [1] 互斥锁用于互斥，信号量用于同步。

    • 这是互斥锁/互斥量和信号量/信号灯的根本区别。

  • [2] 互斥量的值只能为0/1，信号量的值可以大于1。

    • 即互斥量只能实现一个资源的互斥访问，但信号量可以实现多个资源的多线程互斥和同步。
    • 当信号量为单值信号量，也可以完成一个资源的互斥访问。

  • [3] 互斥量的加锁和解锁操作必须由同一个线程分别对应使用，而信号量可以由一个线程释放，另一个线程得到。

    互斥和同步的概念：
    互斥：某一资源同时只允许一个访问者对其进行访问，具有唯一性和排它性。互斥访问是无序访问，无法限制访问者对资源的访问顺序。
    同步：在互斥的基础上（大多数情况），通过其它机制实现访问者对资源的有序访问。在大多数情况下，同步已经实现了互斥，特别是所有写入资源的情况必定是互斥的。少数情况是指可以允许多个访问者同时访问资源

3. 关卡（Barriers）

• Barriers：是一种同步机制，可以协调多个并行工作的线程。Barriers使每一个线程等待直到所有合作的线程都到达了同一点，然后再从这一点开始继续执行。

  • pthread_join()函数就是一种Barriers机制，它使一个线程等待另一个线程的结束。比如在主线程中等待所有子线程的结束然后释放资源结束程序。

  • Barriers比pthread_join()更一般化，它允许任意数量的线程等待。

• Barriers函数接口：头文件 pthread.h

  • [1] 关卡初始化函数

    int pthread_barrier_init( pthread_barrier_t *restrict barrier, const pthread_barrierattr_t *restrict attr, unsigned int count);参数：    barrier: 关卡变量指针    attr: 关卡属性，NULL为使用默认属性    count: 指定在所有线程继续运行之前，必须达到该关卡的线程的个数返回值：成功返回0，失败返回出错编号

  • [2] 等待函数：当一个线程率先完成工作到达关卡，该线程可调用等待函数来等待其他所有线程赶上它

    int pthread_barrier_wait( pthread_barrier_t *barrier);返回值：成功返回0或PTHREAD_BARRIER_SERIAL_THREAD，失败返回出错编号       PTHREAD_BARRIER_SERIAL_THREAD: 返回该值的线程为主线程，负责处理所有线程完成工作后的结果说明：在到达关卡的线程数量没有达到count个数时，调用pthread_barrier_wait()函数的线程都会休眠，直到count个线程的最后一个线程调用pthread_barrier_wait()函数时，所有线程都被唤醒。

  • [3] 资源释放函数

    int pthread_barrier_destroy( pthread_barrier_t *barrier);返回值：成功返回0，失败返回错误编号

• Barriers使用的注意点

  • 初始化barrier对象时，指定的线程count为工作线程个数+1，加1是加上主线程

  • 在程序中线程并不检测调用的pthread_barrier_wait()的返回值是0还是PTHREAD_BARRIER_SERIAL_THREAD，这是因为我们指定使用主线程来合并其他线程的执行结果

Acknowledgements:
http://www.cnblogs.com/nufangrensheng/p/3521654.html
http://blog.csdn.net/ljianhui/article/details/10813469/
http://blog.csdn.net/bbaiggey/article/details/52943267

2017.08.30