互斥锁，信号量，条件变量，临界区

来源：互联网发布：强制加微信好友软件编辑：程序博客网时间：2024/05/14 17:12

原子操作

共享数据（全局变量或堆变量）的自增（++）操作在多线程环境下会出现错误是因为这个操作（一条c语句）被编译为汇编代码后不止一条指令，因此在执行的时候可能执行了一半就被调度系统打断，去执行别的代码。

我们把单指令的操作称为原子的（Atomic）,因为无论如何，单条指令的执行是不会被打断的。为了避免出错，很多体系结构都提供了一些常用操作的原子指令，例如i386就有一条inc指令可以直接增加一个内存单元值。

在Windows里，有一套API专门进行一些原子操作（见下表），这些API称为InterlockedAPI。

Windows API 作用

InterlockedExchange 原子地交换两个值

InterlockedDecrement 原子地减少一个值

InterlockedIncrement 原子地增加一个值

InterlockedXor 原子地进行异或操作

使用这些函数时，Windows将保证是原子操作的，因此可以不用担心出现问题。遗憾的是，尽管原子操作指令非常方便，但是它们仅仅适用于比较简单的特定场合。在复杂的场合下，比如我们要保证一个复杂的数据结构更改的原子性，原子操作就力不从心了。这里我们就需要更加通用的手段：锁。

同步与锁

为了避免多个线程同时读写同一个数据（全局变量或堆变量）而产生不可预料的后果，我们需要将各个线程对同一个数据的访问同步（Synchronization）。所谓同步，即是指在一个线程访问数据未结束的时候，其他线程不得对同一个数据进行访问。如此，对数据的访问被原子化了。

同步的最常见方法是使用锁（Lock）。即每个线程在访问数据或资源之前首先试图获取（Acquire）锁，并在访问结束后释放（Release）锁。在锁已经被占用的时候试图获取锁时，线程会等待，直到锁重新可用。

二元信号量（Binary Semaphore）是最简单的一种锁，它只用两种状态：占用与非占用。它适合只能被唯一一个线程访问的资源。当二元信号量处于非占用状态时，第一个试图获取该二元信号量的线程会获得该锁，并将二元信号量置为占用状态，此后其他的所有试图获取该二元信号量的线程将会等待，知道该锁被释放。

对于允许多个线程并发访问的资源，多元信号量简称为信号量（Semaphore），它是一个很好的选择。一个初始值为N的信号量允许N个线程并发访问。线程访问资源的时候首先获取信号量，进行如下操作：

■将信号量的值减1

■如果信号量的值小于0，则进入等待状态，否则继续执行。

访问资源之后，线程释放信号量，进行如下操作：

■将信号量的值加1.

■如果信号量的值小于1，唤醒一个等待中的线程。

互斥量（Mutex）和二元信号量很类似，即资源仅同时允许一个线程访问，但和信号量不同的是，信号量在整个系统可以被任意线程获取并释放，也就是说，同一个信号量可以被系统中的一个线程获取之后由另一个线程释放。而互斥量则要求哪个线程获取了互斥量，哪个线程就要负责释放这个锁，其他线程越俎代庖去释放互斥量是无效的。

临界区（Critical Section）是比互斥量更加严格的同步手段。在术语中，把临界区的锁的获取称为进入临界区，而把锁的释放称为离开临界区。临界区和互斥量与信号量的区别在于，互斥量和信号量在系统中任何进程里都是可见的，也就是说，一个进程创建了一个互斥量或信号量，另一个进程试图去获取该锁时合法的。然而，临界区的作用范围仅限于本进程中，其他的进程无法获取该锁（类似于静态全局变量对全局变量）。除此之外，临界区具有和互斥量相同的性质。

读写锁（Read-Write Lock）致力于一种更加特定的场合的同步。对于一段数据，多个线程同时读取总是没问题的，但假设操作都不是原子型，只要有任何一个线程试图对这个数据进行修改，就必须使用同步手段来避免出错。如果我们使用上述信号量、互斥量或临界区中的任何一种来进行同步，尽管可以保证程序争取，但对于读取频繁，而仅仅偶尔写入的情况，会显得非常低效。读写锁可以避免这个问题。对于同一个锁，读写锁由两种获取方式，共享的（Shared）或独占的（Exclusive）。当锁处于自由的状态时，试图以任何一种方式获取锁都能成功，并将锁置于对应的状态。如果锁处于共享状态，其他线程以共享的方式获取锁仍然会成功，此时这个锁分配给了多个线程。然而，如果其他线程试图以独占的方式获取已经处于共享状态的锁，那么它必须等待锁被所有的线程释放。相应地，处于独占状态的锁将阻止任何其他线程获取该锁，不论它们试图以哪种方式获取。读写锁的行为可以总结为如下表：

读写锁状态以共享方式获取以独占方式获取

自由成功成功

共享成功等待

独占等待等待

条件变量（Condition Variable）作为一种同步手段，作用类似于一个栅栏。对于条件变量，线程可以有两种操作，首先线程可以等待条件变量，一个条件变量可以被多个线程等待。其次，线程可以唤醒条件变量，此时某个或所有等待此条件变量的线程都会被唤醒并继续支持。也就是说，使用条件变量可以让许多线程一起等待某个事件的发生，当事件发生时（条件变量被唤醒），所有的线程可以一起恢复执行。

转自 http://hi.baidu.com/qinfengxiaoyue/item/75c0ddfd13b08f1bfe3582b4

条件变量

与互斥锁不同，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。

使用条件变量之前要先进行初始化。可以在单个语句中生成和初始化一个条件变量如：pthread_cond_t my_condition=PTHREAD_COND_INITIALIZER;（用于进程间线程的通信）。可以利用函数pthread_cond_init动态初始化。

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. 它利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制。

简要说明：

(1)初始化.init()或者pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIER;属性置为NULL

(2)等待条件成立.pthread_wait,pthread_timewait.wait()释放锁,并阻塞等待条件变量为真

timewait()设置等待时间,仍未signal,返回ETIMEOUT(加锁保证只有一个线程wait)

(3)激活条件变量:pthread_cond_signal,pthread_cond_broadcast(激活所有等待线程)

(4)清除条件变量:destroy;无线程等待,否则返回EBUSY

详细说明

1. 初始化:

条件变量采用的数据类型是pthread_cond_t, 在使用之前必须要进行初始化, 这包括两种方式:

静态: 可以把常量PTHREAD_COND_INITIALIZER给静态分配的条件变量.
动态: pthread_cond_init函数, 是释放动态条件变量的内存空间之前, 要用pthread_cond_destroy对其进行清理.

#include <pthread.h>int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_condattr_t *restrict attr);int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);成功则返回0, 出错则返回错误编号.

当pthread_cond_init的attr参数为NULL时, 会创建一个默认属性的条件变量; 非默认情况以后讨论.

2. 等待条件:

#include <pthread.h>int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restric mutex);int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict timeout);成功则返回0, 出错则返回错误编号.

这两个函数分别是阻塞等待和超时等待.

等待条件函数等待条件变为真, 传递给pthread_cond_wait的互斥量对条件进行保护, 调用者把锁住的互斥量传递给函数. 函数把调用线程放到等待条件的线程列表上, 然后对互斥量解锁, 这两个操作是原子的. 这样便关闭了条件检查和线程进入休眠状态等待条件改变这两个操作之间的时间通道, 这样线程就不会错过条件的任何变化.

当pthread_cond_wait返回时, 互斥量再次被锁住.

3. 通知条件:

#include <pthread.h>int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);成功则返回0, 出错则返回错误编号.

这两个函数用于通知线程条件已经满足. 调用这两个函数, 也称向线程或条件发送信号. 必须注意, 一定要在改变条件状态以后再给线程发送信号.

示例程序

#include <stdio.h>#include <pthread.h> pthread_mutex_t mutex;pthread_cond_t cond;void *thread1(void *arg) {pthread_cleanup_push(pthread_mutex_unlock, &mutex);    //提供函数回调保护    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, (void *) thread1, NULL);pthread_create(&thid2, NULL, (void *) thread2, NULL);do {pthread_cond_signal(&cond);} while (1);sleep(20);pthread_exit(0);return 0;}

条件变量与互斥锁、信号量的区别

1.互斥锁必须总是由给它上锁的线程解锁，信号量的挂出即不必由执行过它的等待操作的同一进程执行。一个线程可以等待某个给定信号灯，而另一个线程可以挂出该信号灯。

2.互斥锁要么锁住，要么被解开（二值状态，类型二值信号量）。

3.由于信号量有一个与之关联的状态（它的计数值），信号量挂出操作总是被记住。然而当向一个条件变量发送信号时，如果没有线程等待在该条件变量上，那么该信号将丢失。

4.互斥锁是为了上锁而设计的，条件变量是为了等待而设计的，信号灯即可用于上锁，也可用于等待，因而可能导致更多的开销和更高的复杂性。

转自http://www.cnblogs.com/newlist/archive/2012/02/11/2346284.html

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