Linus多线程编程（2）线程同步

线程同步

A. mutex (互斥量)
多个线程同时访问共享数据时可能会冲突,这跟前面讲信号时所说的可重要性是同样的问
题。假如 两个线程都要把某个全局变量增加1,这个操作在某平台需要三条指令完成: 
1. 从内存读变量值到寄存器 
2. 寄存器的值加1 
3. 将寄存器的值写回内存

我们通过一个简单的程序观察这一现象。上图所描述的现象从理论上是存在这种可能的,但实际运行程序时很难观察到,为了使现象更容易观察到,我们把上述三条指令做的事情用更多条指令来做: 

我们在“读取变量的值”和“把变量的新值保存回去”这两步操作之间插入一个printf调用,它会执 行write系统调用进内核,为内核调度别的线程执行提供了一个很好的时机。我们在这个循环中重 复上述操作几千次,就会观察到访问冲突的现象。

代码：

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<pthread.h>#define NLOOP 5000static int g_val = 0;void *read_write_mem(void* arg){int i=0, _count=0 ;for(; i<NLOOP; ++i){_count = g_val;printf("pthread is run,: %u, g_val is: %d\n",(unsigned long)pthread_self(),g_val);g_val = _count + 1;}return NULL;}int main(){pthread_t id1,id2;pthread_create(&id1, NULL, read_write_mem, "thread1 run...");pthread_create(&id2, NULL, read_write_mem, "thread2 run...");pthread_join(id1, NULL);pthread_join(id2, NULL);printf("final g_val is : %d\n",g_val);return 0;}

我们创建两个线程,各自把g_val增加5000次,正常情况下最后g_val应该等于10000,但事实
上每次运行该程序的结果都不一样,有时候数到5000多,有时候数到6000多。

运行结果：

对于多线程的程序,访问冲突的问题是很普遍的,解决的办法是引入互斥锁(Mutex,Mutual Exclusive Lock),获得锁的线程可以完成“读-修改-写”的操作,然后释放锁给其它线程,没有获得锁的线程只能等待而不能访问共享数据,这样“读-修改-写”三步操作组成一个原子操作,要么都执行,要么都不执行,不会执行到中间被打断,也不会在其它处理器上并行做这个操作。

Mutex:pthread_mutex_t类型的变量表示,可以这样初始化和销毁:

SYNOPSIS:

#include<pthread.h>

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

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

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

pthread_mutex_init函数对Mutex做初始化,参数attr设定Mutex的属性,如果attr为NULL则表示缺省属性,本章不详细介绍Mutex属性,感兴趣的读者可以参考[APUE2e]。

用pthread_mutex_init函 数初始化的Mutex可以用pthread_mutex_destroy销毁。如果Mutex变量是静态分配的(全局变量 或static变量),

也可以用宏定义PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER来初始化,相当于 用pthread_mutex_init初始化并且attr参数为NULL。Mutex的加锁和解锁操作可以用下列函数：

SYNOPSIS:

#include<pthread.h>

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

返回值：成功返回0，失败返回错误号。

一个线程可以调用pthread_mutex_lock获得Mutex,如果这时另一个线程已经调用
pthread_mutex_lock获得了该Mutex,则当前线程需要挂起等待,直到另一个线程调用
pthread_mutex_unlock释放Mutex,当前线程被唤醒,才能获得该Mutex并继续执行。
如果一个线程既想获得锁,又不想挂起等待,可以调用pthread_mutex_trylock,如果Mutex已
经被 另一个线程获得,这个函数会失败返回EBUSY,而不会使线程挂起等待。
好，解决上面的问题！

代码：

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<pthread.h>#define NLOOP 5000static int g_val = 0;static  pthread_mutex_t mutex_lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;void *read_write_mem(void* arg){int i=0, _count=0 ;for(; i<NLOOP; ++i){pthread_mutex_lock(&mutex_lock);_count = g_val;printf("pthread is run,: %u, g_val is: %d\n",(unsigned long)pthread_self(),g_val);g_val = _count + 1;pthread_mutex_unlock(&mutex_lock);}return NULL;}int main(){pthread_t id1,id2;pthread_create(&id1, NULL, read_write_mem, "thread1 run...");pthread_create(&id2, NULL, read_write_mem, "thread2 run...");pthread_join(id1, NULL);pthread_join(id2, NULL);printf("final g_val is : %d\n",g_val);return 0;}

运行结果：

Mutex变量 的值为1表示互斥锁空闲,这时某个进程调用lock可以获得锁,而Mutex的值为0表示互斥锁已经被 某个线程获得,其它线程再调用lock只能挂起等待。

B.ondition Variable(条件变量)

#include<pthread.h>

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *restrict attr); -->初始化一个条件变量。如果条件变量是静态分配的，也乐意用宏定义PTHREAD_COND_INITIALIZER初始化，相当于用pthread_cond_init函数初始化并且attr参数为NULL。
pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);

P ,V
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

线程间的同步还有这样一种情况：线程A需要等某个条件成立才能继续往下执行，现在这个条件不成立，线程A救你阻塞等待，而线程B在执行过程中使这个条件成立了，就唤醒线程A继续执行。

可见,一个Condition Variable总是和一个Mutex搭配使用的。一个线程可以调用pthread_cond_wait在一个Condition Variable上阻塞等待,这个函数做以下三步操作: 
1. 释放Mutex
2. 阻塞等待
3. 当被唤醒时,重新获得Mutex并返回

pthread_cond_timedwait函数还有一个额外的参数可以设定等待超时,如果到达了abstime所指定的 时刻仍然没有别的线程来唤醒当前线程,就返回ETIMEDOUT。一个线程可以调用pthread_cond_signal唤醒在某个Condition Variable上等待的另一个线程,也可以调用pthread_cond_broadcast唤醒在这个Condition Variable上等待的所有线程。

下面的程序演示了一个生产者-消费者的例子,生产者生产一个结构体串在链表的表头上,消费者从表头取出结构体。

代码：

//comm.h

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<pthread.h>#include<unistd.h>static pthread_mutex_t lock;static pthread_cond_t need_product;void *product();void *consumer();

//comm.c

#include"comm.h"static pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;static pthread_cond_t need_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER;typedef struct _list_node_t{int product;struct _list_node_t *next;}list_node_t;list_node_t *head;void init_list(list_node_t *p){p->product = 0;p->next = NULL;}void *product(){while(1){sleep(rand()%4);pthread_mutex_lock(&lock);list_node_t *p = (list_node_t*)malloc(sizeof(list_node_t));init_list(p);p->product = rand()%10000;p->next = head;head = p;pthread_mutex_unlock(&lock);printf("product done...singal consumer : %d\n",p->product);pthread_cond_signal(&need_product);}return NULL;}void *consumer(){while(1){//sleep(rand()%4);pthread_mutex_lock(&lock);list_node_t *q = head;while( !head ){printf("product is empty! need product");pthread_cond_wait(&need_product,&lock);//wait}q = head;head = head->next;q->next = NULL;pthread_mutex_unlock(&lock);printf("consumer done... %d\n",q->product);free(q);q = NULL;}return NULL;}

//main.c

#include"comm.h"void *product_run(void *arg){printf("%s\n",(char*)arg);product();return NULL;}void *consumer_run(void *arg){printf("%s\n",(char*)arg);consumer();return NULL;}int main(){pthread_t id1,id2;pthread_create(&id1, NULL, product_run, "product");pthread_create(&id2, NULL, consumer_run, "consumer");pthread_join(id1, NULL);pthread_join(id2, NULL);return 1;}

//Makefile

prod_cons_model:main.o comm.ogcc -o prod_cons_model main.o comm.o -lpthreadmain.o:main.c comm.hgcc -c main.ccomm.o:comm.c comm.hgcc -c comm.c.PHONY:cleanclean:rm *.o prod_cons_model

运行结果：