互斥锁和条件变量

2021-12-01 07:56:24

　　为了允许在线程或进程之间共享数据，同步时必须的，互斥锁和条件变量是同步的基本组成部分。

1、互斥锁

　　互斥锁是用来保护临界区资源，实际上保护的是临界区中被操纵的数据，互斥锁通常用于保护由多个线程或多进程分享的共享数据。一般是一些可供线程间使用的全局变量，来达到线程同步的目的,即保证任何时刻只有一个线程或进程在执行其中的代码。一般加锁的轮廓如下：

pthread_mutex_lock()
临界区
pthread_mutex_unlock()

互斥锁API

pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

用此函数加锁时，如果mutex已经被锁住，当前尝试加锁的线程就会阻塞，直到互斥锁被其他线程释放。当此函数返回时，说明互斥锁已经被当前线程成功加锁.

pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

用此函数加锁时，如果mutex已经卑琐主，当前尝试加锁的线程不会阻塞，而是立即返回，返回的错误码为EBUSY,而不是阻塞等待。

pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

注意使用锁之前要记得初始化。互斥锁的初始化有两种初始化方式:

1.对于静态分配的互斥锁一半用宏赋值的方式初始化

eg: static pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

2.对于动态分配的互斥锁（如调用malloc）或分配在共享内存中，则必须调用pthread_mutex_init(pthread_mutex *mutex, pthread_mutexattr_t *mutexattr)函数来进行初始化。

例子1：写个程序实现生产者—消费者问题，先只考虑多个生产者线程之间的同步，直到所有的生产者线程都完成工作以后，才启动消费者线程。程序如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <errno.h>

#define     MAXNITEMS        1000000
#define     MAXNTHREADS     100

int nitems;

struct
{
   pthread_mutex_t     mutex;
   int                 buff[MAXNITEMS];
   int                 nput;
   int                 nval;
} shared = {
   PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER
};

void *produce(void*);
void *consume(void*);

int main(int argc,char *argv[])
{
   int     i,nthreads,count[MAXNTHREADS];
   pthread_t tid_produce[MAXNTHREADS],tid_consume;
   if(argc != 3)
   {
       printf("usage: producongs2 <#itmes> <#threads>.\n");
       exit(0);
   }
   nitems = atoi(argv[1]);
   nthreads = atoi(argv[2]);
   pthread_setconcurrency(nthreads);  //设置线程并发级别
   for(i=0;i<nthreads;++i)
   {
       count[i] = 0;
       pthread_create(&tid_produce[i],NULL,produce,&count[i]);
   }
   for(i=0;i<nthreads;i++)
   {
       pthread_join(tid_produce[i],NULL); //等待线程退出
       printf("count[%d] = %d\n",i,count[i]);
   }
   pthread_create(&tid_consume,NULL,consume,NULL);
   pthread_join(tid_consume,NULL);  //等待线程退出
   exit(0);
}

void *produce(void *arg)
{
   for(; ;)
   {
       pthread_mutex_lock(&shared.mutex); //加锁
       if(shared.nput >= nitems)
       {
           pthread_mutex_unlock(&shared.mutex); //释放锁
           return ;
       }
       shared.buff[shared.nput] = shared.nval;
       shared.nput++;
       shared.nval++;
       pthread_mutex_unlock(&shared.mutex); //加锁
       *((int*) arg) += 1;
   }
}
void *consume(void *arg)
{
   int     i;
   for(i=0;i<nitems;i++)
   {
       if(shared.buff[i] != i)
           printf("buff[%d] = %d\n",i,shared.buff[i]);
   }
   return;
}

程序执行结果如下：

例子2：改进例子1，所有生产者线程启动后立即启动消费者线程，这样生产者线程产生数据的同时，消费者线程就能出来它，此时必须同步生产者和消费者，程序如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <errno.h>

#define     MAXNITEMS        1000000
#define     MAXNTHREADS     100

int nitems;

struct
{
   pthread_mutex_t     mutex;
   int                 buff[MAXNITEMS];
   int                 nput;
   int                 nval;
} shared = {
   PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER
};

void *produce(void*);
void *consume(void*);
void consume_wait(int);
int main(int argc,char *argv[])
{
   int     i,nthreads,count[MAXNTHREADS];
   pthread_t tid_produce[MAXNTHREADS],tid_consume;
   if(argc != 3)
   {
       printf("usage: producongs2 <#itmes> <#threads>.\n");
       exit(0);
   }
   nitems = atoi(argv[1]);
   nthreads = atoi(argv[2]);
   pthread_setconcurrency(nthreads+1);
   //创建生产者线程
   for(i=0;i<nthreads;++i)
   {
       count[i] = 0;
       pthread_create(&tid_produce[i],NULL,produce,&count[i]);
   }
   //创建消费者线程
   pthread_create(&tid_consume,NULL,consume,NULL);
   for(i=0;i<nthreads;i++)
   {
       pthread_join(tid_produce[i],NULL);
       printf("count[%d] = %d\n",i,count[i]);
   }
   //等待消费者线程退出
   pthread_join(tid_consume,NULL);
   exit(0);
}

void *produce(void *arg)
{
   for(; ;)
   {
       pthread_mutex_lock(&shared.mutex);
       if(shared.nput >= nitems)
       {
           pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
           return ;
       }
       shared.buff[shared.nput] = shared.nval;
       shared.nput++;
       shared.nval++;
       pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
       *((int*) arg) += 1;
   }
}
void *consume(void *arg)
{
   int     i;
   for(i=0;i<nitems;i++)
   {
       consume_wait(i);
       if(shared.buff[i] != i)
           printf("buff[%d] = %d\n",i,shared.buff[i]);
   }
   return;
}
void consume_wait(int i)
{
   for(; ;)  //进行轮询，判断i是否已经由生产者生产
   {
       pthread_mutex_lock(&shared.mutex);
       if(i<shared.nput)   //i已经生产
       {
           pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
           return; 
       }
       pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
   }
}

存在的问题：当消费者获取的条目尚没有准备好时，消费者线程一次次的循环去判断，每次给互斥锁解锁又上锁，这种轮询的办法浪费CPU时间。

2、条件变量

　　互斥锁用于上锁，条件变量用于等待，条件变量的使用是与互斥锁共通使用的。

2.1等待与信号发送

　　条件变量类型是pthread_cond_t，调用函数如下：

pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *pmutex);

pthread_cond_signal(pthread_cond_t *pcond);

每个条件变量总是有一个互斥锁与之关联。现在采用条件变量实现生产者与消费者问题，程序如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <errno.h>

#define     MAXNITEMS        1000000
#define     MAXNTHREADS     100

int nitems;

struct
{
   pthread_mutex_t     mutex;
   int                 buff[MAXNITEMS];
   int                 nput;
   int                 nval;
} shared = {
   PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER
};
//条件变量
struct {
   pthread_mutex_t mutex;  
   pthread_cond_t  cond;
   int nready;
}nready = {
 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER,PTHREAD_COND_INITIALIZER
};

void *produce(void*);
void *consume(void*);

int main(int argc,char *argv[])
{
   int     i,nthreads,count[MAXNTHREADS];
   pthread_t tid_produce[MAXNTHREADS],tid_consume;
   if(argc != 3)
   {
       printf("usage: producongs2 <#itmes> <#threads>.\n");
       exit(0);
   }
   nitems = atoi(argv[1]);
   nthreads = atoi(argv[2]);
   pthread_setconcurrency(nthreads+1);
   for(i=0;i<nthreads;++i)
   {
       count[i] = 0;
       pthread_create(&tid_produce[i],NULL,produce,&count[i]);
   }
   pthread_create(&tid_consume,NULL,consume,NULL);
   for(i=0;i<nthreads;i++)
   {
       pthread_join(tid_produce[i],NULL);
       printf("count[%d] = %d\n",i,count[i]);
   }
   pthread_join(tid_consume,NULL);
   exit(0);
}

void *produce(void *arg)
{
   printf("producer begins work\n");
   for(; ;)
   {
       pthread_mutex_lock(&shared.mutex);
       if(shared.nput >= nitems)
       {
           pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
           return ;
       }
       shared.buff[shared.nput] = shared.nval;
       shared.nput++;
       shared.nval++;
       pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
       pthread_mutex_lock(&nready.mutex);
       if(nready.nready == 0)
           pthread_cond_signal(&nready.cond); //通知消费者
       nready.nready++;
       pthread_mutex_unlock(&nready.mutex);
       *((int*) arg) += 1;
   }
}
void *consume(void *arg)
{
   int     i;
   printf("consuemer begins work.\n");
   for(i=0;i<nitems;i++)
   {
       pthread_mutex_lock(&nready.mutex);
       while(nready.nready == 0)
           pthread_cond_wait(&nready.cond,&nready.mutex); //等待生产者
       nready.nready--;
       pthread_mutex_unlock(&nready.mutex);
       if(shared.buff[i] != i)
           printf("buff[%d] = %d\n",i,shared.buff[i]);
   }
   return;
}

程序执行结果如下：

总的来说，给条件变量发送信号的过程代码如下：

struct
{
    pthread_mutex_t    mutex;
    pthread_cond_t       cond;
    //维护本条件的各个变量
}var = {PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER,PTHREAD_COND_INITIALIZER,...}

pthread_mutex_lock(&var.mutex);
设置条件为真
pthread_cond_signal(&var.cond);
pthread_mutex_unlock(&var.mutex);

测试条件并进入睡眠以等待条件变为真的代码大体如下：

pthread_mutex_lock(&var.mutex);
while(条件为假)
   pthread_cond_wait(&var.cond,&var.mutex);
修改条件
pthread_mutex_unlock(&var.mutex);

2.2定时等待和广播

　　通常pthread_cond_signal只是唤醒等待在相应条件变量上的一个线程，在某些情况下需要唤醒多个线程（例如读写者问题），可以调用pthread_cond_broadcast唤醒阻塞在相应条件变量上的所有线程。pthread_cond_timewait允许线程就阻塞时间设置一个限制值。API如下：

pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex, const struct timespec *abstime);

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