linux线程间通信之条件变量和互斥量

一、条件变量定义

有的时候仅仅依靠锁住共享资源来使用它是不够的。有时候共享资源只有某些状态的时候才能够使用。比方说，某个线程如果要从堆栈中读取数据，那么如果栈中没有数据就必须等待数据被压栈。这种情况下的同步使用互斥锁是不够的。另一种同步的方式－－条件变量，就可以使用在这种情况下。条件变量(Condition Variable)是线程间的一种同步机制，提供给两个线程协同完成任务的一种方法，使用条件变量可以以原子方式阻塞线程，直到某个特定条件为真为止。条件变量的测试一般是用互斥量来保护的，用来确保每一时刻只有一个线程能够改变条件变量，如果条件为假，线程通常会基于条件变量而阻塞，并以原子方式释放等待条件变化的互斥锁。如果另一个线程更改了条件，该线程可能会向相关的条件变量发出信号，从而使一个或多个等待的线程执行以下操作：

• 唤醒

• 再次获取互斥锁

• 重新评估条件

在以下情况下，条件变量可用于在进程之间同步线程：

• 线程是在可以写入的内存中分配的

• 内存由协作进程共享

Condition Variable用pthread_cond_t类型的变量表示，和Mutex的初始化和销毁类似，pthread_cond_init函数初始化一个Condition Variable，attr参数为NULL则表示缺省属性，pthread_cond_destroy函数销毁一个Condition Variable。如果ConditionVariable是静态分配的，也可以用宏定义PTHEAD_COND_INITIALIZER初始化，相当于用pthread_cond_init函数初始化并且attr参数为NULL。

条件变量的相关函数如下：

#include <pthread.h>

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cptr, pthread_mutex_t *mptr);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cptr);
//Both return: 0 if OK, positive Exxx value on error

pthread_cond_wait用于等待某个特定的条件为真，一个线程可以调用pthread_cond_wait在一个Condition Variable上阻塞等待，这个函数做以下三步操作：

1. 释放Mutex

2. 阻塞等待

3. 当被唤醒时，重新获得Mutex并返回

注意：3个操作是原子性的操作，之所以一开始要释放Mutex，是因为需要让其他线程进入临界区去更改条件，或者也有其他线程需要进入临界区等待条件。

pthread_cond_signal用于通知阻塞的线程某个特定的条件为真了。在调用者两个函数之前需要声明一个pthread_cond_t类型的变量，用于这两个函数的参数。

为什么条件变量始终与互斥锁一起使用，对条件的测试是在互斥锁（互斥）的保护下进行的呢？因为“某个特性条件”通常是在多个线程之间共享的某个变量。互斥锁允许这个变量可以在不同的线程中设置和检测。

通常，pthread_cond_wait只是唤醒等待某个条件变量的一个线程。如果需要唤醒所有等待某个条件变量的线程，需要调用：

int pthread_cond_broadcast (pthread_cond_t * cptr);

默认情况下面，阻塞的线程会一直等待，知道某个条件变量为真。如果想设置最大的阻塞时间可以调用：

int pthread_cond_timedwait (pthread_cond_t * cptr, pthread_mutex_t *mptr, const struct timespec *abstime);

如果时间到了，条件变量还没有为真，仍然返回，返回值为ETIME。

二、条件变量使用规范

（一）、等待条件代码

pthread_mutex_lock(&mutex);

while (条件为假）

pthread_cond_wait(cond, mutex);

修改条件

pthread_mutex_unlock(&mutex);

（二）、给条件发送通知代码

pthread_mutex_lock(&mutex);

设置条件为真

pthread_cond_signal(cond);

pthread_mutex_unlock(&mutex);

至于为什么在被唤醒之后还要再次进行条件判断（即为什么要使用while循环来判断条件），是因为可能有“惊群效应”。有人觉得此处既然是被唤醒的，肯定是满足条件了，其实不然。如果是多个线程都在等待这个条件，而同时只能有一个线程进行处理，此时就必须要再次条件判断，以使只有一个线程进入临界区处理。考虑以下情况：

1，pthread_cond_signal在多处理器上可能同时唤醒多个线程，当你只能让一个线程处理某个任务时，其它被唤醒的线程就需要继续 wait,while循环的意义就体现在这里了，而且规范要求pthread_cond_signal至少唤醒一个pthread_cond_wait上的线程，其实有些实现为了简单在单处理器上也会唤醒多个线程.

2，某些应用，如线程池，pthread_cond_broadcast唤醒全部线程，但我们通常只需要一部分线程去做执行任务，所以其它的线程需要继续wait.所以强烈推荐此处使用while循环.

其实说白了很简单，就是pthread_cond_signal()也可能唤醒多个线程，而如果你同时只允许一个线程访问的话，就必须要使用while来进行条件判断，以保证临界区内只有一个线程在处理。

一个例子如下：

<span style="font-size:14px;">#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<pthread.h>
#include<errno.h>
#include<unistd.h>

typedef void* (*fun)(void*);

int x=1,y=4;
static pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
static pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

void* thread1(void*);
void* thread2(void*);

int main(int argc, char** argv)
{
	printf("enter main!\n");
	pthread_t tid1, tid2;
	int rc1=0, rc2=0;
	rc2 = pthread_create(&tid2, NULL, thread2, NULL);
	if(rc2 != 0)
		printf("%s: %d\n",__func__, strerror(rc2));

	rc1 = pthread_create(&tid1, NULL, thread1, &tid2);
	if(rc1 != 0)
		printf("%s: %d\n",__func__, strerror(rc1));
	sleep(1);
	printf("leave main!\n");
	exit(0);
}

void* thread1(void* arg)
{
	printf("enter thread1\n");
	printf("this is thread1: x= %d,y=%d. thread id is %u\n",x,y, (unsigned int)pthread_self());
	pthread_mutex_lock(&mutex);
	x+=y;
	if(x>y)
		pthread_cond_signal(&cond);

	printf("this is thread1: x= %d,y=%d. thread id is %u\n", x,y, (unsigned int)pthread_self());
	pthread_mutex_unlock(&mutex);
	pthread_join(*(pthread_t*)arg, NULL);
	printf("leave thread1\n");
	pthread_exit(0);
}

void* thread2(void* arg)
{
	printf("enter thread2\n");
	printf("this is thread2: x= %d,y=%d. thread id is %u\n", x,y, (unsigned int)pthread_self());
	pthread_mutex_lock(&mutex);
	while(x<=y)
		pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
	x-=y;
	printf("this is thread2: x= %d,y=%d. thread id is %u\n", x,y, (unsigned int)pthread_self());
	pthread_mutex_unlock(&mutex);
	printf("leave thread2\n");
	pthread_exit(0);
}
</span>

编译时加上-lpthread参数即可。

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