linux互斥锁和条件变量

一、互斥锁

1. 初始化:

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:
对于静态分配的互斥量, 可以把它设置为PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER, 或者调用pthread_mutex_init.
对于动态分配的互斥量, 在申请内存(malloc)之后, 通过pthread_mutex_init进行初始化, 并且在释放内存(free)前需要调用pthread_mutex_destroy.

原型:

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restric attr); 
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

返回值: 成功则返回0, 出错则返回错误编号.
说明: 如果使用默认的属性初始化互斥量, 只需把attr设为NULL

 2. 互斥操作:
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. 在完成了对共享资源的访问后, 要对互斥量进行解锁.

加锁函数:

原型:

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); 
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex); 

返回值: 成功则返回0, 出错则返回错误编号. 

说明: 具体说一下trylock函数, 这个函数是非阻塞调用模式, 也就是说, 如果互斥量没被锁住, trylock函数将把互斥量加锁, 并获得对共享资源的访问权限; 如果互斥量被锁住了, trylock函数将不会阻塞等待而直接返回EBUSY, 表示共享资源处于忙状态.
解锁函数: 

原型:

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

返回值: 成功则返回0, 出错则返回错误编号.

3. 死锁:

死锁主要发生在有多个依赖锁存在时, 会在一个线程试图以与另一个线程相反顺序锁住互斥量时发生. 如何避免死锁是使用互斥量应该格外注意的东西.

总体来讲, 有几个基本原则:

对共享资源操作前一定要获得锁.

完成操作以后一定要释放锁.

尽量短时间地占用锁.

如果有多锁, 如获得顺序是ABC连环扣, 释放顺序也应该是ABC.

线程错误返回时应该释放它所获得的锁.

二、条件变量

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）。为了防止竞争，条件变量的使用总是和一个互斥锁结合在一起。  
   
1．   创建和注销  
条件变量和互斥锁一样，都有静态动态两种创建方式，静态方式使用PTHREAD_COND_INITIALIZER常量，如下：    
pthread_cond_t   cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER    
动态方式调用pthread_cond_init()函数，API定义如下：    
int   pthread_cond_init(pthread_cond_t   *cond,   pthread_condattr_t   *cond_attr)    
尽管POSIX标准中为条件变量定义了属性，但在LinuxThreads中没有实现，因此cond_attr值通常为NULL，且被忽略。  
注销一个条件变量需要调用pthread_cond_destroy()，只有在没有线程在该条件变量上等待的时候才能注销这个条件变量，否则返回EBUSY。因为Linux实现的条件变量没有分配什么资源，所以注销动作只包括检查是否有等待线程。API定义如下：    
 int   pthread_cond_destroy(pthread_cond_t   *cond)        
 2．   等待    

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)

等待条件有两种方式：无条件等待pthread_cond_wait()和计时等待pthread_cond_timedwait()，其中计时等待方式如果在给定时刻前条件没有满足，则返回ETIMEOUT，结束等待，其中abstime以与time()系统调用相同意义的绝对时间形式出现，0表示格林尼治时间1970年1月1日0时0分0秒。  

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。

无论哪种等待方式，都必须和一个互斥锁配合，以防止多个线程同时请求pthread_cond_wait()（或pthread_cond_timedwait()，下同）的竞争条件（Race   Condition）。mutex互斥锁必须是普通锁（PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP）或者适应锁（PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP），且在调用pthread_cond_wait()前必须由本线程加锁（pthread_mutex_lock()），而在更新条件等待队列以前，mutex保持锁定状态，并在线程挂起进入等待前解锁。在条件满足从而离开pthread_cond_wait()之前，mutex将被重新加锁，以与进入pthread_cond_wait()前的加锁动作对应。  

 3．   激发  

激发条件有两种形式，pthread_cond_signal()激活一个等待该条件的线程，存在多个等待线程时按入队顺序激活其中一个；而pthread_cond_broadcast()则激活所有等待线程。 

pthread_cond_wait() 将执行最后一个操作：重新锁定 mymutex。一旦 pthread_cond_wait() 锁定了互斥对象，那么它将返回并允许 1 号线程继续执行。那时，它可以马上检查列表，查看它所感兴趣的更改。
 
让我们先来回顾一下。第一个线程首先调用：
pthread_mutex_lock(&mymutex);
然后，它检查了列表。没有找到感兴趣的东西，于是它调用：
pthread_cond_wait(&mycond, &mymutex);
然后，pthread_cond_wait() 调用在返回前执行许多操作：
pthread_mutex_unlock(&mymutex);
它对 mymutex 解锁，然后进入睡眠状态，等待 mycond 以接收 POSIX 线程“信号”。一旦接收到“信号”（加引号是因为我们并不是在讨论传统的 UNIX 信号，而是来自 pthread_cond_signal() 或 pthread_cond_broadcast() 调用的信号），它就会苏醒。但 pthread_cond_wait() 没有立即返回 -- 它还要做一件事：重新锁定 mutex：
pthread_mutex_lock(&mymutex);
pthread_cond_wait() 知道我们在查找 mymutex “背后”的变化，因此它继续操作，为我们锁定互斥对象，然后才返回。