多线程同步——条件变量

1．引言：

条件变量是一种同步机制，允许线程挂起，直到共享数据上的某些条件得到满足。条件变量上的基本操作有：触发条件(当条件变为 true 时)；等待条件，挂起线程直到其他线程触发条件。

    条件变量要和互斥量相联结，以避免出现条件竞争－－一个线程预备等待一个条件变量，当它在真正进入等待之前，另一个线程恰好触发了该条件。

2．函数说明：

1）初始化条件变量pthread_cond_init

函数原型：int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cv, const pthread_condattr_t *cattr);

返回值：函数成功返回0；任何其他返回值都表示错误。

参数说明：当参数cattr为空指针时，函数创建的是一个缺省的条件变量。否则条件变量的属性将由cattr中的属性值来决定。调用pthread_cond_init函数时，参数cattr为空指针等价于cattr中的属性为缺省属性，只是前者不需要cattr所占用的内存开销。这个函数返回时，条件变量被存放在参数cv指向的内存中。

可以用宏PTHREAD_COND_INITIALIZER来初始化静态定义的条件变量，使其具有缺省属性。这和用pthread_cond_init函数动态分配的效果是一样的。初始化时不进行错误检查。如：pthread_cond_t cv = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

不能由多个线程同时初始化一个条件变量。当需要重新初始化或释放一个条件变量时，应用程序必须保证这个条件变量未被使用。

2）阻塞在条件变量上pthread_cond_wait

函数原型：int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cv, pthread_mutex_t *mutex);

返回值：函数成功返回0；任何其他返回值都表示错误

参数说明：函数将解锁mutex参数指向的互斥锁，并使当前线程阻塞在cv参数指向的条件变量上。被阻塞的线程可以被pthread_cond_signal函数，pthread_cond_broadcast函数唤醒，也可能在被信号中断后被唤醒。pthread_cond_wait函数的返回并不意味着条件的值一定发生了变化，必须重新检查条件的值。pthread_cond_wait函数返回时，相应的互斥锁将被当前线程锁定，即使是函数出错返回。

一般一个条件表达式都是在一个互斥锁的保护下被检查。当条件表达式未被满足时，线程将仍然阻塞在这个条件变量上。当另一个线程改变了条件的值并向条件变量发出信号时，等待在这个条件变量上的一个线程或所有线程被唤醒，接着都试图再次占有相应的互斥锁。阻塞在条件变量上的线程被唤醒以后，直到pthread_cond_wait()函数返回之前条件的值都有可能发生变化。所以函数返回以后，在锁定相应的互斥锁之前，必须重新测试条件值。最好的测试方法是循环调用pthread_cond_wait函数，并把满足条件的表达式置为循环的终止条件。

如：pthread_mutex_lock(); while (condition_is_false) pthread_cond_wait(); pthread_mutex_unlock();

阻塞在同一个条件变量上的不同线程被释放的次序是不一定的。

注意：pthread_cond_wait()函数是退出点，如果在调用这个函数时，已有一个挂起的退出请求，且线程允许退出，这个线程将被终止并开始执行善后处理函数，而这时和条件变量相关的互斥锁仍将处在锁定状态。

3）解除在条件变量上的阻塞pthread_cond_signal

函数原型：int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cv);

返回值：函数成功返回0；任何其他返回值都表示错误

参数说明：函数被用来释放被阻塞在指定条件变量上的一个线程。必须在互斥锁的保护下使用相应的条件变量。否则对条件变量的解锁有可能发生在锁定条件变量之前，从而造成死锁。

唤醒阻塞在条件变量上的所有线程的顺序由调度策略决定，如果线程的调度策略是SCHED_OTHER类型的，系统将根据线程的优先级唤醒线程。如果没有线程被阻塞在条件变量上，那么调用pthread_cond_signal()将没有作用。

4）阻塞直到指定时间pthread_cond_timedwait

函数原型：int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cv, pthread_mutex_t *mp, const structtimespec * abstime); 头文件为：#include

返回值：函数成功返回0；任何其他返回值都表示错误

参数说明：函数到了一定的时间，即使条件未发生也会解除阻塞。这个时间由参数abstime指定。函数返回时，相应的互斥锁往往是锁定的，即使是函数出错返回。

注意：pthread_cond_timedwait函数也是退出点。超时时间参数是指一天中的某个时刻。

使用举例：

pthread_timestruc_t to; to.tv_sec = time(NULL) + TIMEOUT; to.tv_nsec = 0;

超时返回的错误码是ETIMEDOUT。

5） 释放阻塞的所有线程pthread_cond_broadcast

函数原型：int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cv);

返回值：函数成功返回0；任何其他返回值都表示错误

参数说明：函数唤醒所有被pthread_cond_wait函数阻塞在某个条件变量上的线程，参数cv被用来指定这个条件变量。当没有线程阻塞在这个条件变量上时，pthread_cond_broadcast函数无效。由于pthread_cond_broadcast函数唤醒所有阻塞在某个条件变量上的线程，这些线程被唤醒后将再次竞争相应的互斥锁，所以必须小心使用pthread_cond_broadcast函数。

6） 释放条件变量pthread_cond_destroy

函数原型：int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cv);

返回值：函数成功返回0；任何其他返回值都表示错误。

注意：条件变量占用的空间并未被释放。

7） 唤醒丢失问题

在线程未获得相应的互斥锁时调用pthread_cond_signal或pthread_cond_broadcast函数可能会引起唤醒丢失问题。

唤醒丢失往往会在下面的情况下发生：

一个线程调用pthread_cond_signal或pthread_cond_broadcast函数；

另一个线程正处在测试条件变量和调用pthread_cond_wait函数之间；

没有线程正在处在阻塞等待的状态下。

3．举例：

下面是使用函数pthread_cond_wait（）和函数pthread_cond_signal（）的一个简单的例子：

pthread_mutex_t count_lock;pthread_cond_t count_nonzero;unsigned count;decrement_count　() {pthread_mutex_lock (&count_lock);while(count==0)pthread_cond_wait( &count_nonzero, &count_lock);count=count -1;pthread_mutex_unlock (&count_lock);}increment_count(){pthread_mutex_lock(&count_lock);if(count==0)pthread_cond_signal(&count_nonzero);count=count+1;pthread_mutex_unlock(&count_lock);}

　　count值为0时，decrement函数在pthread_cond_wait处被阻塞，并打开互斥锁count_lock。此时，当调用到函数increment_count时，pthread_cond_signal（）函数改变条件变量，告知decrement_count（）停止阻塞。读者可以试着让两个线程分别运行这两个函数，看看会出现什么样的结果。

　　函数pthread_cond_broadcast（pthread_cond_t *cond）用来唤醒所有被阻塞在条件变量cond上的线程。这些线程被唤醒后将再次竞争相应的互斥锁，所以必须小心使用这个函数。

 

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1. #include <pthread.h>  
2. #include <stdio.h>  
3. #include <stdlib.h>  
4. pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;/*初始化互斥锁*/  
5. pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;/*初始化条件变量*/  
6. void *thread1(void *);  
7. void *thread2(void *);  
8. int i=1;  
9. int main(void)  
10. {  
11.     pthread_t t_a;  
12.     pthread_t t_b;  
13.     pthread_create(&t_a,NULL,thread1,(void *)NULL);/*创建进程t_a*/  
14.     pthread_create(&t_b,NULL,thread2,(void *)NULL); /*创建进程t_b*/  
15.     pthread_join(t_a, NULL);/*等待进程t_a结束*/  
16.     pthread_join(t_b, NULL);/*等待进程t_b结束*/  
17.     pthread_mutex_destroy(&mutex);  
18.     pthread_cond_destroy(&cond);  
19.     exit(0);  
20. }  
21. void *thread1(void *junk)  
22. {  
23.     for(i=1;i<=6;i++)  
24.     {  
25.         pthread_mutex_lock(&mutex);/*锁住互斥量*/  
26.         printf("thread1: lock %d/n", __LINE__);  
27.         if(i%3==0){  
28.             printf("thread1:signal 1  %d/n", __LINE__);  
29.             pthread_cond_signal(&cond);/*条件改变，发送信号，通知t_b进程*/  
30.             printf("thread1:signal 2  %d/n", __LINE__);  
31.             sleep(1);  
32.         }  
33.         pthread_mutex_unlock(&mutex);/*解锁互斥量*/  
34.         printf("thread1: unlock %d/n/n", __LINE__);  
35.         sleep(1);  
36.     }  
37. }  
38. void *thread2(void *junk)  
39. {  
40.     while(i<6)  
41.     {  
42.         pthread_mutex_lock(&mutex);  
43.         printf("thread2: lock %d/n", __LINE__);  
44.         if(i%3!=0){  
45.             printf("thread2: wait 1  %d/n", __LINE__);  
46.             pthread_cond_wait(&cond,&mutex);/*解锁mutex，并等待cond改变*/  
47.             printf("thread2: wait 2  %d/n", __LINE__);  
48.         }  
49.         pthread_mutex_unlock(&mutex);  
50.         printf("thread2: unlock %d/n/n", __LINE__);  
51.         sleep(1);  
52.     }  
53. }  

 

编译：

[X61@horizon threads]$ gcc thread_cond.c -lpthread -o tcd

 

以下是程序运行结果：

[X61@horizon threads]$ ./tcd 
thread1: lock 30
thread1: unlock 40

thread2: lock 52
thread2: wait 1  55
thread1: lock 30
thread1: unlock 40

thread1: lock 30
thread1:signal 1  33
thread1:signal 2  35
thread1: unlock 40

thread2: wait 2  57
thread2: unlock 61

thread1: lock 30
thread1: unlock 40

thread2: lock 52
thread2: wait 1  55
thread1: lock 30
thread1: unlock 40

thread1: lock 30
thread1:signal 1  33
thread1:signal 2  35
thread1: unlock 40

thread2: wait 2  57
thread2: unlock 61

 

这里的两个关键函数就在pthread_cond_wait和pthread_cond_signal函数。

本例中：

线程一先执行，获得mutex锁，打印，然后释放mutex锁，然后阻塞自己1秒。

线程二此时和线程一应该是并发的执行 ，这里是一个要点，为什么说是线程此时是并发的执行，因为此时不做任何干涉的话，是没有办法确定是线程一先获得执行还是线程二先获得执行，到底那个线程先获得执行，取决于操作系统的调度，想刻意的让线程2先执行，可以让线程2一出来，先sleep一秒。
这里并发执行的情况是，线程一先进入循环，然后获得锁，此时估计线程二执行,阻塞在
pthread_mutex_lock(&mutex);
这行语句中，直到线程1释放mutex锁
pthread_mutex_unlock(&mutex);/*解锁互斥量*/
然后线程二得已执行，获取metux锁，满足if条件，到pthread_cond_wait (&cond,&mutex);/*等待*/
这里的线程二阻塞，不仅仅是等待cond变量发生改变，同时释放mutex锁 ，因为当时看书没有注意，所以这里卡了很久。
mutex锁释放后，线程1终于获得了mutex锁，得已继续运行，当线程1的if（i%3==0）的条件满足后，通过pthread_cond_signal发送信号，告诉等待cond的变量的线程（这个情景中是线程二），cond条件变量已经发生了改变。

不过此时线程二并没有立即得到运行 ，因为线程二还在等待mutex锁的释放，所以线程一继续往下走，直到线程一释放mutex锁，线程二才能停止等待，打印语句，然后往下走通过pthread_mutex_unlock(&mutex)释放mutex锁，进入下一个循环。

转自：http://blog.csdn.net/hongmy525/article/details/5194006

           http://blog.csdn.net/hiflower/article/details/2195350