NPTL 线程同步方式

2022-10-21 20:22:35

　　NPTL提供了互斥体 pthread_mutex_t 类型进行线程同步，防止由于多线程并发对全局变量造成的不正确操作。使用 pthread_mutext_t 对数据进行保护已经可以实现基本的数据同步，NPTL又提供了pthread_cond_t 条件变量与pthread_mutext_t一起使用实现高效的线程同步保护数据。有了互斥变量pthread_mutext_t为什么还要引入条件变量pthread_cond_t呢？原因就是防止CPU空转，一个线程获得互斥量之后，另外一个线程如果想获取该互斥量，就会不断的去查询这个互斥量是否已经空闲可以被自己占用，于是浪费了CPU周期。引入条件变量pthread_cond_t之后，如果条件不满足，线程进入睡眠状态，不会浪费CPU周期。

　　NPTL进行线程同步的一般结构如下：

thread 1:

    pthread_mutex_lock(&mutex);

    while (!condition)

        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);

    /* 实际操作，修改condition为无效 */

    pthread_mutex_unlock(&mutex);

thread2:

    pthread_mutex_lock(&mutex);

    /* 实际操作，修改condition为有效 */

    pthread_cond_signal(&cond);

    pthread_mutex_unlock(&mutex);

　　标准代码结构是像上面这样，针对上面的结构提几个问题？

　　1. 为什么要将pthread_cond_wait 放在while(!condition)循环内呢，为什么要有while(!condition)的存在呢？

　 2. pthread_cond_t 为什么要和 pthread_mutex_t 一起使用呢，使用pthread_cond_signal的线程不使用pthread_mutext 行不行？　

　　在回答上面的问题之前先介绍一下最核心的pthread_cond_wait(&cond, &mutex)在不同情况下都会干些什么。

　　1. 程序运行到pthread_cond_wait() 条件发生，代码继续向下执行。

　　2. 程序运行到pthread_cond_wait() 条件未发生，函数调用首先会释放mutex（打开锁），并使当前线程进入睡眠状态。

　　3. 睡眠在pthread_cond_wait()上的线程被signal唤醒，pthread_cond_wait()首先去获得锁（尝试重新获得该mutex直到获得）。

　　pthread_cond_wait()的行为为下面的讨论做一个铺垫。现在来考虑回答上面的问题，我们可以从多线程乱序执行做为切入点，thread1 有可能比thread2 先执行，thread2 也有可能比thread1先执行。

　　1.首先考虑，如果thread2先执行并且已经执行到 pthread_cond_signal() 但是thread1甚至都还没有运行，更别说进入到pthread_cond_wait()状态，这时候没有 while(!condition) 会怎么样？

　　显然thread2已经发送了singal了，但是没有接收者，此时出现了丢信号的情况，即如果没有 while(!condition) 当thread1进入到pthread_cond_wait()的时候就会睡眠，唤醒信号丢失的情况发生，在这种情况下如果有 while(!condition) 的存在则不会执行pthread_cond_wait() 直接执行下面的代码。

　　那么用 if(!condtion) 不是也可以解决上面的问题吗？不错是可以解决上面的问题，但是会带来新的问题。考虑这种情况：如果signal同时唤醒了多个wait在该条件上的线程（pthread_cond_broadcast 或者出现传说中的Spurious wakeup），那使用if(!condtion) 就是不行的。这是因为，各个多个被唤醒的线程肯定会有一个会先进入被这个mutex保护的临界区（回忆上面介绍的pthread_cond_wait()函数在线程醒来之前会尝试去持有锁直到持有为止），Linux上规定是低优先级的线程先获得该mutex，然后进行了操作，并修改了condition变量，释放了mutex，此时另一个正在睡眠中但同时也在尝试获取该mutex的线程被唤醒，然后直接就向下执行，此时就会导致多线程同步失败。如果使用while(!condtion)再次进行检查则不会出现同步失败的问题。

　　2.第二个问题相对简单，如果cond不和mutex一起使用，那么任何可以访问cond的线程都可能唤醒睡眠在某个mutex上的线程，所以需要mutex对cond的保护，以确保有资格的线程才能对某个线程进行唤醒操作。

　　理解条件变量的关键还是需要理解pthread_cond_wait()都干了些什么！

NPTL 多线程同步条件变量互斥变量 Linux

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