mtk笔试题-----多线程同步

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。

1. 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);
   
2. 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);
   
3. 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);
   
4. 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);
   

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1. #include <cstdio>  
2. #include <cstdlib>  
3. #include <unistd.h>  
4. #include <pthread.h>  
5. #include "iostream"  
6. using namespace std;  
7. pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;  
8. int tmp;  
9. void* thread(void *arg)  
10. {  
11.     cout << "thread id is " << pthread_self() << endl;  
12.     pthread_mutex_lock(&mutex);  
13.     tmp = 12;  
14.     cout << "Now a is " << tmp << endl;  
15.     pthread_mutex_unlock(&mutex);  
16.     return NULL;  
17. }  
18. int main()  
19. {  
20.     pthread_t id;  
21.     cout << "main thread id is " << pthread_self() << endl;  
22.     tmp = 3;  
23.     cout << "In main func tmp = " << tmp << endl;  
24.     if (!pthread_create(&id, NULL, thread, NULL))  
25.     {  
26.         cout << "Create thread success!" << endl;  
27.     }  
28.     else  
29.     {  
30.         cout << "Create thread failed!" << endl;  
31.     }  
32.     pthread_join(id, NULL);  
33.     pthread_mutex_destroy(&mutex);  
34.     return 0;  
35. }  
36. //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。

1. 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);
   
2. 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);
   
3. 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
   
4. 清除条件变量。无线程等待,否则返回EBUSY
   int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
   

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1. #include <stdio.h>  
2. #include <pthread.h>  
3. #include "stdlib.h"  
4. #include "unistd.h"  
5. pthread_mutex_t mutex;  
6. pthread_cond_t cond;  
7. void hander(void *arg)  
8. {  
9.     free(arg);  
10.     (void)pthread_mutex_unlock(&mutex);  
11. }  
12. void *thread1(void *arg)  
13. {  
14.     pthread_cleanup_push(hander, &mutex);  
15.     while(1)  
16.     {  
17.         printf("thread1 is running\n");  
18.         pthread_mutex_lock(&mutex);  
19.         pthread_cond_wait(&cond, &mutex);  
20.         printf("thread1 applied the condition\n");  
21.         pthread_mutex_unlock(&mutex);  
22.         sleep(4);  
23.     }  
24.     pthread_cleanup_pop(0);  
25. }  
26. void *thread2(void *arg)  
27. {  
28.     while(1)  
29.     {  
30.         printf("thread2 is running\n");  
31.         pthread_mutex_lock(&mutex);  
32.         pthread_cond_wait(&cond, &mutex);  
33.         printf("thread2 applied the condition\n");  
34.         pthread_mutex_unlock(&mutex);  
35.         sleep(1);  
36.     }  
37. }  
38. int main()  
39. {  
40.     pthread_t thid1,thid2;  
41.     printf("condition variable study!\n");  
42.     pthread_mutex_init(&mutex, NULL);  
43.     pthread_cond_init(&cond, NULL);  
44.     pthread_create(&thid1, NULL, thread1, NULL);  
45.     pthread_create(&thid2, NULL, thread2, NULL);  
46.     sleep(1);  
47.     do  
48.     {  
49.         pthread_cond_signal(&cond);  
50.     }while(1);  
51.     sleep(20);  
52.     pthread_exit(0);  
53.     return 0;  
54. }  

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1. #include <pthread.h>  
2. #include <unistd.h>  
3. #include "stdio.h"  
4. #include "stdlib.h"  
5. static pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;  
6. static pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;  
7. struct node  
8. {  
9.     int n_number;  
10.     struct node *n_next;  
11. }*head = NULL;  
12.   
13. static void cleanup_handler(void *arg)  
14. {  
15.     printf("Cleanup handler of second thread./n");  
16.     free(arg);  
17.     (void)pthread_mutex_unlock(&mtx);  
18. }  
19. static void *thread_func(void *arg)  
20. {  
21.     struct node *p = NULL;  
22.     pthread_cleanup_push(cleanup_handler, p);  
23.     while (1)  
24.     {  
25.         //这个mutex主要是用来保证pthread_cond_wait的并发性  
26.         pthread_mutex_lock(&mtx);  
27.         while (head == NULL)  
28.         {  
29.             //这个while要特别说明一下，单个pthread_cond_wait功能很完善，为何  
30.             //这里要有一个while (head == NULL)呢？因为pthread_cond_wait里的线  
31.             //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。  
32.             //这个时候，应该让线程继续进入pthread_cond_wait  
33.             // pthread_cond_wait会先解除之前的pthread_mutex_lock锁定的mtx，  
34.             //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  
35.             //而被唤醒，唤醒后，该进程会先锁定先pthread_mutex_lock(&mtx);，再读取资源  
36.             //用这个流程是比较清楚的  
37.             pthread_cond_wait(&cond, &mtx);  
38.             p = head;  
39.             head = head->n_next;  
40.             printf("Got %d from front of queue/n", p->n_number);  
41.             free(p);  
42.         }  
43.         pthread_mutex_unlock(&mtx); //临界区数据操作完毕，释放互斥锁  
44.     }  
45.     pthread_cleanup_pop(0);  
46.     return 0;  
47. }  
48. int main(void)  
49. {  
50.     pthread_t tid;  
51.     int i;  
52.     struct node *p;  
53.     //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  
54.     //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  
55.     pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);  
56.     sleep(1);  
57.     for (i = 0; i < 10; i++)  
58.     {  
59.         p = (struct node*)malloc(sizeof(struct node));  
60.         p->n_number = i;  
61.         pthread_mutex_lock(&mtx); //需要操作head这个临界资源，先加锁，  
62.         p->n_next = head;  
63.         head = p;  
64.         pthread_cond_signal(&cond);  
65.         pthread_mutex_unlock(&mtx); //解锁  
66.         sleep(1);  
67.     }  
68.     printf("thread 1 wanna end the line.So cancel thread 2./n");  
69.     //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  
70.     //线程，而在我们的代码里，最近的取消点肯定就是pthread_cond_wait()了。  
71.     pthread_cancel(tid);  
72.     pthread_join(tid, NULL);  
73.     printf("All done -- exiting/n");  
74.     return 0;  
75. }  

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。

1. 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。
   
2. 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);
   
3. 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);
   
4. 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);
   

[cpp] view plaincopy

1. #include <stdlib.h>  
2. #include <stdio.h>  
3. #include <unistd.h>  
4. #include <pthread.h>  
5. #include <semaphore.h>  
6. #include <errno.h>  
7. #define return_if_fail(p) if((p) == 0){printf ("[%s]:func error!/n", __func__);return;}  
8. typedef struct _PrivInfo  
9. {  
10.     sem_t s1;  
11.     sem_t s2;  
12.     time_t end_time;  
13. }PrivInfo;  
14.   
15. static void info_init (PrivInfo* thiz);  
16. static void info_destroy (PrivInfo* thiz);  
17. static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz);  
18. static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz);  
19.   
20. int main (int argc, char** argv)  
21. {  
22.     pthread_t pt_1 = 0;  
23.     pthread_t pt_2 = 0;  
24.     int ret = 0;  
25.     PrivInfo* thiz = NULL;  
26.     thiz = (PrivInfo* )malloc (sizeof (PrivInfo));  
27.     if (thiz == NULL)  
28.     {  
29.         printf ("[%s]: Failed to malloc priv./n");  
30.         return -1;  
31.     }  
32.     info_init (thiz);  
33.     ret = pthread_create (&pt_1, NULL, (void*)pthread_func_1, thiz);  
34.     if (ret != 0)  
35.     {  
36.         perror ("pthread_1_create:");  
37.     }  
38.     ret = pthread_create (&pt_2, NULL, (void*)pthread_func_2, thiz);  
39.     if (ret != 0)  
40.     {  
41.         perror ("pthread_2_create:");  
42.     }  
43.     pthread_join (pt_1, NULL);  
44.     pthread_join (pt_2, NULL);  
45.     info_destroy (thiz);  
46.     return 0;  
47. }  
48. static void info_init (PrivInfo* thiz)  
49. {  
50.     return_if_fail (thiz != NULL);  
51.     thiz->end_time = time(NULL) + 10;  
52.     sem_init (&thiz->s1, 0, 1);  
53.     sem_init (&thiz->s2, 0, 0);  
54.     return;  
55. }  
56. static void info_destroy (PrivInfo* thiz)  
57. {  
58.     return_if_fail (thiz != NULL);  
59.     sem_destroy (&thiz->s1);  
60.     sem_destroy (&thiz->s2);  
61.     free (thiz);  
62.     thiz = NULL;  
63.     return;  
64. }  
65. static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz)  
66. {  
67.     return_if_fail(thiz != NULL);  
68.     while (time(NULL) < thiz->end_time)  
69.     {  
70.         sem_wait (&thiz->s2);  
71.         printf ("pthread1: pthread1 get the lock./n");  
72.         sem_post (&thiz->s1);  
73.         printf ("pthread1: pthread1 unlock/n");  
74.         sleep (1);  
75.     }  
76.     return;  
77. }  
78. static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz)  
79. {  
80.     return_if_fail (thiz != NULL);  
81.     while (time (NULL) < thiz->end_time)  
82.     {  
83.         sem_wait (&thiz->s1);  
84.         printf ("pthread2: pthread2 get the unlock./n");  
85.         sem_post (&thiz->s2);  
86.         printf ("pthread2: pthread2 unlock./n");  
87.         sleep (1);  
88.     }  
89.     return;  
90. }