Linux同步机制(二) - 条件变量,信号量,文件锁,栅栏

2022-12-19 13:20:36

1 条件变量

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。

1.1 相关函数

#include <pthread.h>
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t*cond_attr);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t*mutex, const struct timespec *abstime);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

1.2 说明

1. 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。
2. 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。
pthread_cond_init 使用 cond_attr指定的属性初始化条件变量 cond，当 cond_attr为
NULL 时，使用缺省的属性。LinuxThreads实现条件变量不支持属性，因此 cond_attr参数实际被忽略。
pthread_cond_t 类型的变量也可以用 PTHREAD_COND_INITIALIZER常量进行静态初始化。
pthread_cond_signal 使在条件变量上等待的线程中的一个线程重新开始。如果没有等待的线程，则什么也不做。如果有多个线程在等待该条件，只有一个能重启动，但不能指定哪一个。
pthread_cond_broadcast 重启动等待该条件变量的所有线程。如果没有等待的线程，则什么也不做。
pthread_cond_wait 自动解锁互斥量(如同执行了 pthread_unlock_mutex)，并等待条件变量触发。这时线程挂起，不占用
CPU 时间，直到条件变量被触发。在调用 pthread_cond_wait
之前，应用程序必须加锁互斥量。pthread_cond_wait 函数返回前，自动重新对互斥量加锁(如同执行了 pthread_lock_mutex)。
互斥量的解锁和在条件变量上挂起都是自动进行的。因此，在条件变量被触发前，如果所有的线程都要对互斥量加锁，这种机制可保证在线程加锁互斥量和进入等待条件变量期间，条件变量不被触发。
pthread_cond_timedwait 和 pthread_cond_wait一样，自动解锁互斥量及等待条件变量，但它还限定了等待时间。如果在 abstime指定的时间内
cond 未触发，互斥量 mutex被重新加锁，且 pthread_cond_timedwait返回错误 ETIMEDOUT。abstime参数指定一个绝对时间，时间原点与
time和 gettimeofday相同：abstime = 0表示 1970年 1月 1日
00:00:00 GMT。
pthread_cond_destroy 销毁一个条件变量，释放它拥有的资源。进入 pthread_cond_destroy之前，必须没有在该条件变量上等待的线程。在 LinuxThreads的实现中，条件变量不联结资源，除检查有没有等待的线程外，pthread_cond_destroy实际上什么也不做。
3. 取消
pthread_cond_wait 和 pthread_cond_timedwait是取消点。如果一个线程在这些函数上挂起时被取消，线程立即继续执行，然后再次对 pthread_cond_wait和 pthread_cond_timedwait在
mutex参数加锁，最后执行取消。因此，当调用清除处理程序时，可确保，mutex是加锁的。
4. 异步信号安全(Async-signalSafety)
条件变量函数不是异步信号安全的，不应当在信号处理程序中进行调用。特别要注意，如果在信号处理程序中调用 pthread_cond_signal或 pthread_cond_boardcast函数，可能导致调用线程死锁。
5. 返回值

在执行成功时，所有条件变量函数都返回 0，错误时返回非零的错误代码。
6. 错误代码
pthread_cond_init,   pthread_cond_signal, pthread_cond_broadcast,和 pthread_cond_wait从不返回错误代码。
pthread_cond_timedwait 函数出错时返回下列错误代码：
ETIMEDOUT   abstime 指定的时间超时时，条件变量未触发
EINTR       pthread_cond_timedwait被触发中断
pthread_cond_destroy 函数出错时返回下列错误代码：
EBUSY       某些线程正在等待该条件变量
7. 举例
设有两个共享的变量 x 和 y，通过互斥量 mut保护，当 x > y时，条件变量 cond被触发。
int x,y;
int x,y;
pthread_mutex_t mut = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

等待直到 x > y
的执行流程：
pthread_mutex_lock(&mut);
while (x <= y) {
    pthread_cond_wait(&cond, &mut);
}
/* 对 x、y进行操作 */
pthread_mutex_unlock(&mut);

对 x 和 y的修改可能导致 x > y，应当触发条件变量：
pthread_mutex_lock(&mut);
/* 修改 x、y */
if (x > y) pthread_cond_broadcast(&cond);
pthread_mutex_unlock(&mut);

如果能够确定最多只有一个等待线程需要被唤醒(例如，如果只有两个线程通过 x、y通信)，则使用 pthread_cond_signal比
pthread_cond_broadcast 效率稍高一些。如果不能确定，应当用pthread_cond_broadcast。

要等待在 5 秒内 x > y，这样处理：
struct timeval now;
struct timespec timeout;
int retcode;

pthread_mutex_lock(&mut);
gettimeofday(&now);
timeout.tv_sec = now.tv_sec + 5;
timeout.tv_nsec = now.tv_usec * 1000;
retcode = 0;
while (x <= y && retcode != ETIMEDOUT) {
    retcode =pthread_cond_timedwait(&cond, &mut, &timeout);
}
if (retcode == ETIMEDOUT) {
    /* 发生超时 */
} else {
    /* 操作 x 和 y */
}
pthread_mutex_unlock(&mut);

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2 信号量

Semaphore，即信号量(sem_init)，用来保护多重资源的访问，它可以设置一个大于0的值，如N，任何访问者在该信号量大于1的情况下均可以获得资源的访问权，并将相应的信号量减1。一般在为了线程在某一定程度上的顺序执行才使用信号量，即线程A等待线程B执行完某些操作以后，才能继续往下执行，可以理解为，组装厂A需要等待(sem_wait)元件厂B交付元件以后(sem_post)才能继续生产。当信号量不再使用时，销毁它(sem_destroy)。

2.1 相关函数

sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsignedint value)：初始化一个信号量

sem_wait(sem_t *sem)：一直等待信号量，直到信号量大于0

int sem_trywait(sem_t *sem)：等待信号量，没有成功立即返回

sem_timedwait(sem_t *sem, const structtimespec *abs_timeout)：设定超时等待。

sem_post(sem_t *sem)：信号量加1

sem_destory(sem_t *sem)：释放信号量。