Linux进程通信[2]-互斥锁和条件变量

Linux进程通信[2]-互斥锁和条件变量

2012 年 11 月 27 日

概述

上一篇介绍了共享内存，已经属于比较高级的层次。本篇介绍一下多线程/多进程最基础的问题，同步。
为了允许在线程或进程间共享数据，同步常常是必需的，也就是我们常说要用锁（当然锁通常也是性能瓶颈，现在无锁架构正在越发流行）。互斥锁和条件变量则是同步的基本组成部分。互斥锁和条件变量在同一进程下的所有线程内是共享的，所有它天然可以用于线程同步。如果将互斥锁和条件变量存放在多个进程的共享区内，则同样可以用于进程间同步。（Posix标准）

互斥锁

互斥锁用于保护临界区（critical section），保证在任何时刻只有一个线程/进程在执行其中的代码。保护一个临界区的代码通常轮廓如下：

1lock_the_mutex(...);

2//do anything one by one

3unlock_the_mutex(...);

在实际代码中，我们通常使用如下的数据机构和函数。

01#include <pthread.h>

02//pthread_mutex_t 是锁的定义

03static pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZE;

04 

05//尝试对ptr上锁，否则一直阻塞

06int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *ptr);

07//尝试对ptr上锁，失败则直接返回

08int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *ptr);

09//解锁

10int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *ptr);

条件变量

条件变量（condition）不同于互斥锁，它主要用于等待。因为我们在线程/进程同步时，通常都需要等待其他线程/进程完成任务再继续自己的任务。这时，仅仅使用mutex就无法完美的解决这个问题。假设我们只使用mutex，则需要锁上一个mutex然后查询，如果没有前序任务则解锁，然后隔断时间再继续上述过程。而借助条件变量，我们则可以大大简化这个过程。在锁上mutex后，如果没有前序任务则调用wait函数，系统会自动释放mutex并且等待前置信号的到达，且信号到达后还是拥有mutex。
下面是condition的常用函数：

1#include <pthread.h>

2//pthread_mutex_t 是条件变量的定义

3static pthread_cond_t lock = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

4 

5//等待条件变量 cptr

6int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cptr, pthread_mutex_t *mptr);

7//发送条件变量 cptr

8int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cptr);

每个条件变量总有一个互斥锁与之关联。（个人猜测原因：因为我们等待条件变量时候，需要释放mutex，交给其他线程）

样例

这里用一个简单的生产者-消费者模型来演示如何使用mutex和condition。

01#include <pthread.h>

02 

03pthread_mutex_t p_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

04pthread_mutex_t c_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

05pthread_cond_t c_cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

06 

07int LEN = 100;

08int arr[LEN];

09int nready = 0;

10 

11void *produce(void *arg) {

12    int i = 0;

13    for (;;) {

14        //多线程生产

15        pthread_mutex_lock(&p_mutex);

16        if (i > LEN) {

17            pthread_mutex_unlock(&p_mutex);

18            break;

19        }

20        arr[i++] = i;

21        pthread_mutex_unlock(&p_mutex);

22 

23        //需要和消费进程 同步 完成数

24        pthread_mutex_lock(&c_mutex);

25        if (nready == 0) {

26            //通知消费进程

27            pthread_cond_signal(&c_cond);

28        }

29        nready++;

30        pthread_mutex_unlock(&c_mutex);

31    }

32}

33 

34void *consume(void *arg) {

35    //单线程消费

36    for (int i = 0; i < LEN; ++i) {

37        pthread_mutex_lock(&c_mutex);

38        if (nready == 0) {

39            //等待消费者通知

40            pthread_cond_wait(&c_cond, &c_mutex);

41        }

42        nready--;

43        pthread_mutex_unlock(&c_mutex);

44 

45        //do something for arr[i];

46    }

47}