Linux多线程同步的几种方式

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()

 　　{

 　　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;

 　　

 　　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);

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