浅谈多线程保护---条件变量和互斥锁

    在多线程中，为了避免因为线程竞争而引起的错误，经常加入互斥锁。对于某些线程，由于不需要一直触发，故加入了条件变量，在线程里挂起操作，等待条件变量触发激活。

        互斥锁（mutex）：用来保证在任一时刻，只能有一个线程访问该对象。如果有两个线程：thread1和 thread2，那么在thread1之中如果给互斥锁上锁了，thread2想要操作互斥锁，thread2将会阻塞，一直等待到互斥锁解锁之后才能继续运行。

        条件变量(cond)：件变量是线程中的东西，就是等待某一条件的发生，和信号一样。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。

 

          代码清单（本代码核心部分为网友：romalin99）：

/** * @file * @brief  * @details  * @version 1.0.0 * @author sky.houfei * @date 2014年5月30日 *///*********************************************************************#include <pthread.h>#include <unistd.h>#include <stdio.h>#include <stdlib.h>//*********************************************************************pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;/*静态初始化*/pthread_cond_t  cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;  //init condvoid *thread1(void*);void *thread2(void*);//*********************************************************************static unsigned char i = 1; // static global//*********************************************************************void main(int argc, char*  argv[]){    pthread_t t_a;    pthread_t t_b; // two thread    pthread_create(&t_b, NULL, thread2, (void*)NULL); // Create thread    pthread_create(&t_a, NULL, thread1, (void*)NULL);    pthread_join(t_b, NULL); // wait a_b thread end    pthread_mutex_destroy(&mutex);    pthread_cond_destroy(&cond);    exit(0);}/** * @brief 线程1。 * @details 当全局静态变量i是3的倍数时，发送条件变量，唤醒thread2；当i不是3的倍数时，直接执行线程，不发送条件变量。 */void *thread1(void* junk){    for (i = 1; i <= 9; i++)    {        pthread_mutex_lock(&mutex); // 互斥锁上锁        printf("call thread1 \n");        if ((i % 3) == 0)        {            pthread_cond_signal(&cond); // send sianal to wake up thread2        }        else        {            printf("thread1: %d\n", i);        }        pthread_mutex_unlock(&mutex);        printf("thread1 end [i = %d]\n", i);    }    return 0;}/** * @brief 线程2。 * @details 当全局静态变量i不是3的倍数时，线程挂起，等待条件变量触发唤醒；当i是3的倍数时，直接执行线程，不挂起。 */void *thread2(void* junk){    while(i < 9)    {         pthread_mutex_lock(&mutex);           // 开始进入临界区         printf("call thread2 \n");         // 操作有2步，是原子操作。第一解锁，先解除之前的pthread_mutex_lock锁定的mutex;         // 第二 挂起，阻塞并在等待队列里休眠，即所在线程挂起，直到再次被再次唤醒，         // 唤醒的条件是由pthread_cond_signal(&cond);发出的cond信号来唤醒。         if((i % 3) != 0)         {            // wait 必须和互斥锁同时用在一个线程里，它同时起到对资源的加锁和解锁               pthread_cond_wait(&cond, &mutex);                   }         printf("thread2: %d\n", i);         pthread_mutex_unlock(&mutex);        // 离开临界区         printf("thread2 end\n");    }    return 0;}

 

 

       代码解释：

      call thread2：是线程2即t_b首先上锁，即 pthread_mutex_lock(&mutex);锁住了mutex使得此进程执行线程2中的临界区的代码，当执行到76行：if ( (i %3) != 0)，此时i = 1,满足此条件，则执行78行： pthread_cond_wait(&cond, &mutex);这句是关键，pthread_cond_wait(&cond, &mutex)操作有两步，是原子操作：第一解锁，先解除之前的pthread_mutex_lock锁定的mutex；第二挂起，阻塞并在等待对列里休眠，即线程2挂起，直到再次被唤醒，唤醒的条件是由pthread_cond_signal(&cond);发出的cond信号来唤醒。

       call thread1:由于pthread_cond_wait已经对线程2解锁，此时另外的线程只有线程1，那么线程1对mutex上锁，若这时有多个线程，那么线程间上锁的顺序和操作系统有关。

      thread1: 1：线程1上锁后执行临界区的代码，当执行到if ( (i %3) == 0)此时i = 1,不满足条件，则pthread_cond_signal(&cond);不被执行，那么线程2仍处于挂起状态，输出thread1: 1后线程1由pthread_mutex_unlock(&mutex);解锁。

      thread1: 2：这时此进程中只有2个线程，线程2处于挂起状态，那么只有线程1,则线程1又对mutex上锁，此时同样执行临界区的代码，而且i = 2,不满足条件，pthread_cond_signal(&cond);不被执行，那么线程2仍处于挂起状态，输出thread1: 1后线程1由pthread_mutex_unlock(&mutex);解锁。

      call thread1：同样由线程1上锁，但此时i=3,满足条件pthread_cond_signal(&cond)被执行，那么pthread_cond_signal(&cond)会发出信号，来唤醒处于挂起的线程2。

        thread2: 3：由于pthread_cond_signal唤醒了线程2,即i = 3满足条件，pthread_cond_wait(&cond, &mutex);被执行，那么thread_cond_wait(&cond, &mutex)此时也有一步操作：上锁;即对线程2上锁，此时的pthread_cond_wait(&cond, &mutex)的操作相当与pthread_mutex_lock(&mutex);那么线程2继续执行上锁后的临界区的代码，并由pthread_mutex_unlock(&mutex);对线程2进行解锁。

    

        备注：互斥锁和条件变量的使用需要注意的地方：等待条件变量的线程（thread2）不是每次都需要等待，需要和发送条件变量的线程（thread2）需要有一个全局的静态变量控制（如示例中的i）。thread1在i 是3的倍数时，发送发送条件变量cond；而线程2 在i不是三的倍数时，才等待条件变量。如果每次thread1都发送cond，thread2每次都等待cond，这样就可能出现一个现象：当thread2刚把mutex解锁之后，线程切换为thread1，此时thread1立刻发送cond，然后线程切换为thread2。由于此时cond已经发送出去，而thread2还没有开始等待cond，会导致thread2在傻等cond，故漏掉一次操作。

         为了避免线程切换引起的问题，thread2不能一直等待条件变量cond，应该某些特定场合（如 i % 3 != 0）才去等待挂起；而thread1发送cond刚好是除了这些特定场合之外的所有场合（如 i % 3 == 0）才去发送cond。两者的条件需要刚好相反。