Linux 线程同步的三种方法

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。

互斥锁(mutex)

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通过锁机制实现线程间的同步。

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);

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);

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);

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);

实例

#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

条件变量(cond)

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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。

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);

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);

激活条件变量

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

清除条件变量

无线程等待,否则返回EBUSY

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

实例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;  }

实例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);      pthread_join(tid, NULL);      printf("All done -- exiting/n");      return 0;  }

信号量(sem)

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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。

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。

等待信号量

该函数申请一个信号量，当前无可用信号量则等待，有可用信号量时占用一个信号量，对信号量的值减1。

int sem_wait(sem_t *sem);

释放信号量

该函数释放一个信号量，信号量的值加1。

int sem_post(sem_t *sem);

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);

实例1

#include <stdlib.h>  #include <stdio.h>  #include <unistd.h>  #include <pthread.h>  #include <semaphore.h>  #include <errno.h>  #define return_if_fail(p) if((p) == 0){printf ("[%s]:func error!/n", __func__);return;}  typedef struct _PrivInfo  {      sem_t s1;      sem_t s2;      time_t end_time;  }PrivInfo;  static void info_init (PrivInfo* thiz);  static void info_destroy (PrivInfo* thiz);  static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz);  static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz);  int main (int argc, char** argv)  {      pthread_t pt_1 = 0;      pthread_t pt_2 = 0;      int ret = 0;      PrivInfo* thiz = NULL;      thiz = (PrivInfo* )malloc (sizeof (PrivInfo));      if (thiz == NULL)      {          printf ("[%s]: Failed to malloc priv./n");          return -1;      }      info_init (thiz);      ret = pthread_create (&pt_1, NULL, (void*)pthread_func_1, thiz);      if (ret != 0)      {          perror ("pthread_1_create:");      }      ret = pthread_create (&pt_2, NULL, (void*)pthread_func_2, thiz);      if (ret != 0)      {          perror ("pthread_2_create:");      }      pthread_join (pt_1, NULL);      pthread_join (pt_2, NULL);      info_destroy (thiz);      return 0;  }  static void info_init (PrivInfo* thiz)  {      return_if_fail (thiz != NULL);      thiz->end_time = time(NULL) + 10;      sem_init (&thiz->s1, 0, 1);      sem_init (&thiz->s2, 0, 0);      return;  }  static void info_destroy (PrivInfo* thiz)  {      return_if_fail (thiz != NULL);      sem_destroy (&thiz->s1);      sem_destroy (&thiz->s2);      free (thiz);      thiz = NULL;      return;  }  static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz)  {      return_if_fail(thiz != NULL);      while (time(NULL) < thiz->end_time)      {          sem_wait (&thiz->s2);          printf ("pthread1: pthread1 get the lock./n");          sem_post (&thiz->s1);          printf ("pthread1: pthread1 unlock/n");          sleep (1);      }      return;  }  static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz)  {      return_if_fail (thiz != NULL);      while (time (NULL) < thiz->end_time)      {          sem_wait (&thiz->s1);          printf ("pthread2: pthread2 get the unlock./n");          sem_post (&thiz->s2);          printf ("pthread2: pthread2 unlock./n");          sleep (1);      }      return;  }

实例2

采用信号量机制，解决苹果橙子问题：一个能放N（这里N设为3）个水果的盘子，爸爸只往盘子里放苹果，妈妈只放橙子，女儿只吃盘子里的橙子，儿子只吃苹果。
采用三个信号量：
1.sem_t empty:信号量empty控制盘子可放水果数，初始为3，因为开始盘子为空可放水果数为3。
2.sem_t apple ;信号量apple控制儿子可吃的苹果数，初始为0，因为开始盘子里没苹果。
3.sem_t orange;信号量orange控制女儿可吃的橙子是，初始为0，因为开始盘子里没橙子。
注：互斥量work_mutex只为printf输出时能够保持一致，可忽略。

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <pthread.h>  #include <semaphore.h>sem_t empty;  //控制盘子里可放的水果数sem_t apple;  //控制苹果数sem_t orange; //控制橙子数pthread_mutex_t work_mutex;                    //声明互斥量work_mutexvoid *procf(void *arg) //father线程          {              while(1){                 sem_wait(&empty);     //占用一个盘子空间，可放水果数减1                 pthread_mutex_lock(&work_mutex);     //加锁                 printf("爸爸放入一个苹果!\n");                 sem_post(&apple);     //释放一个apple信号了，可吃苹果数加1                 pthread_mutex_unlock(&work_mutex);   //解锁                 Sleep(3000);             }           }void *procm(void *arg)  //mother线程          {             while(1){                sem_wait(&empty);                pthread_mutex_lock(&work_mutex);     //加锁                printf("妈妈放入一个橙子!\n");                sem_post(&orange);                pthread_mutex_unlock(&work_mutex);   //解锁                Sleep(4000);            }           }void *procs(void *arg)  //son线程          {             while(1){                sem_wait(&apple);       //占用一个苹果信号量，可吃苹果数减1                 pthread_mutex_lock(&work_mutex);     //加锁                printf("儿子吃了一个苹果!\n");                sem_post(&empty);       //吃了一个苹果，释放一个盘子空间，可放水果数加1                pthread_mutex_unlock(&work_mutex);   //解锁                Sleep(1000);            }           }void *procd(void *arg)  //daughter线程          {             while(1){                sem_wait(&orange);                pthread_mutex_lock(&work_mutex);     //加锁                printf("女儿吃了一个橙子!\n");                sem_post(&empty);                pthread_mutex_unlock(&work_mutex);   //解锁                Sleep(2000);            }           }void main(){     pthread_t father;  //定义线程    pthread_t mother;    pthread_t son;    pthread_t daughter;    sem_init(&empty, 0, 3);  //信号量初始化    sem_init(&apple, 0, 0);    sem_init(&orange, 0, 0);    pthread_mutex_init(&work_mutex, NULL);   //初始化互斥量    pthread_create(&father,NULL,procf,NULL);  //创建线程    pthread_create(&mother,NULL,procm,NULL);    pthread_create(&daughter,NULL,procd,NULL);    pthread_create(&son,NULL,procs,NULL);    Sleep(1000000000);}

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转载自：http://blog.csdn.net/zsf8701/article/details/7844316