【转】 Linux 线程同步的三种方法

线程的最大特点是资源的共享性，但资源共享中的同步问题是多线程编程的难点。linux下提供了多种方式来处理线程同步，最常用的是互斥锁、条件变量和信号量。

一、互斥锁(mutex)

通过锁机制实现线程间的同步。

  1. 初始化锁。在Linux下，线程的互斥量数据类型是pthread_mutex_t。在使用前,要对它进行初始化。
    静态分配：pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
    动态分配：int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutex_attr_t *mutexattr);
  2. 加锁。对共享资源的访问，要对互斥量进行加锁，如果互斥量已经上了锁，调用线程会阻塞，直到互斥量被解锁。
    int pthread_mutex_lock(pthread_mutex *mutex);
    int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
  3. 解锁。在完成了对共享资源的访问后，要对互斥量进行解锁。
    int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
  4. 销毁锁。锁在是使用完成后，需要进行销毁以释放资源。
    int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex *mutex);

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  1. #include <cstdio>
  2. #include <cstdlib>
  3. #include <unistd.h>
  4. #include <pthread.h>
  5. #include "iostream"
  6. using namespace std;
  7. pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
  8. int tmp;
  9. void* thread(void *arg)
  10. {
  11. cout << "thread id is " << pthread_self() << endl;
  12. pthread_mutex_lock(&mutex);
  13. tmp = 12;
  14. cout << "Now a is " << tmp << endl;
  15. pthread_mutex_unlock(&mutex);
  16. return NULL;
  17. }
  18. int main()
  19. {
  20. pthread_t id;
  21. cout << "main thread id is " << pthread_self() << endl;
  22. tmp = 3;
  23. cout << "In main func tmp = " << tmp << endl;
  24. if (!pthread_create(&id, NULL, thread, NULL))
  25. {
  26. cout << "Create thread success!" << endl;
  27. }
  28. else
  29. {
  30. cout << "Create thread failed!" << endl;
  31. }
  32. pthread_join(id, NULL);
  33. pthread_mutex_destroy(&mutex);
  34. return 0;
  35. }
  36. //编译：g++ -o thread testthread.cpp -lpthread

二、条件变量(cond)

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。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。

  1. 初始化条件变量。
    静态态初始化，pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIER;
    动态初始化，int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr);
  2. 等待条件成立。释放锁,同时阻塞等待条件变量为真才行。timewait()设置等待时间,仍未signal,返回ETIMEOUT(加锁保证只有一个线程wait)
    int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);
    int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex *mutex,const timespec *abstime);
  3. 激活条件变量。pthread_cond_signal,pthread_cond_broadcast（激活所有等待线程）
    int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
    int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond); //解除所有线程的阻塞
  4. 清除条件变量。无线程等待,否则返回EBUSY
    int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

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  1. #include <stdio.h>
  2. #include <pthread.h>
  3. #include "stdlib.h"
  4. #include "unistd.h"
  5. pthread_mutex_t mutex;
  6. pthread_cond_t cond;
  7. void hander(void *arg)
  8. {
  9. free(arg);
  10. (void)pthread_mutex_unlock(&mutex);
  11. }
  12. void *thread1(void *arg)
  13. {
  14. pthread_cleanup_push(hander, &mutex);
  15. while(1)
  16. {
  17. printf("thread1 is running\n");
  18. pthread_mutex_lock(&mutex);
  19. pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
  20. printf("thread1 applied the condition\n");
  21. pthread_mutex_unlock(&mutex);
  22. sleep(4);
  23. }
  24. pthread_cleanup_pop(0);
  25. }
  26. void *thread2(void *arg)
  27. {
  28. while(1)
  29. {
  30. printf("thread2 is running\n");
  31. pthread_mutex_lock(&mutex);
  32. pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
  33. printf("thread2 applied the condition\n");
  34. pthread_mutex_unlock(&mutex);
  35. sleep(1);
  36. }
  37. }
  38. int main()
  39. {
  40. pthread_t thid1,thid2;
  41. printf("condition variable study!\n");
  42. pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
  43. pthread_cond_init(&cond, NULL);
  44. pthread_create(&thid1, NULL, thread1, NULL);
  45. pthread_create(&thid2, NULL, thread2, NULL);
  46. sleep(1);
  47. do
  48. {
  49. pthread_cond_signal(&cond);
  50. }while(1);
  51. sleep(20);
  52. pthread_exit(0);
  53. return 0;
  54. }

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  1. #include <pthread.h>
  2. #include <unistd.h>
  3. #include "stdio.h"
  4. #include "stdlib.h"
  5. static pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
  6. static pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
  7. struct node
  8. {
  9. int n_number;
  10. struct node *n_next;
  11. }*head = NULL;
  12. static void cleanup_handler(void *arg)
  13. {
  14. printf("Cleanup handler of second thread./n");
  15. free(arg);
  16. (void)pthread_mutex_unlock(&mtx);
  17. }
  18. static void *thread_func(void *arg)
  19. {
  20. struct node *p = NULL;
  21. pthread_cleanup_push(cleanup_handler, p);
  22. while (1)
  23. {
  24. //这个mutex主要是用来保证pthread_cond_wait的并发性
  25. pthread_mutex_lock(&mtx);
  26. while (head == NULL)
  27. {
  28. //这个while要特别说明一下，单个pthread_cond_wait功能很完善，为何
  29. //这里要有一个while (head == NULL)呢？因为pthread_cond_wait里的线
  30. //程可能会被意外唤醒，如果这个时候head != NULL，则不是我们想要的情况。
  31. //这个时候，应该让线程继续进入pthread_cond_wait
  32. // pthread_cond_wait会先解除之前的pthread_mutex_lock锁定的mtx，
  33. //然后阻塞在等待对列里休眠，直到再次被唤醒(大多数情况下是等待的条件成立
  34. //而被唤醒，唤醒后，该进程会先锁定先pthread_mutex_lock(&mtx);，再读取资源
  35. //用这个流程是比较清楚的
  36. pthread_cond_wait(&cond, &mtx);
  37. p = head;
  38. head = head->n_next;
  39. printf("Got %d from front of queue/n", p->n_number);
  40. free(p);
  41. }
  42. pthread_mutex_unlock(&mtx); //临界区数据操作完毕，释放互斥锁
  43. }
  44. pthread_cleanup_pop(0);
  45. return 0;
  46. }
  47. int main(void)
  48. {
  49. pthread_t tid;
  50. int i;
  51. struct node *p;
  52. //子线程会一直等待资源，类似生产者和消费者，但是这里的消费者可以是多个消费者，而
  53. //不仅仅支持普通的单个消费者，这个模型虽然简单，但是很强大
  54. pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
  55. sleep(1);
  56. for (i = 0; i < 10; i++)
  57. {
  58. p = (struct node*)malloc(sizeof(struct node));
  59. p->n_number = i;
  60. pthread_mutex_lock(&mtx); //需要操作head这个临界资源，先加锁，
  61. p->n_next = head;
  62. head = p;
  63. pthread_cond_signal(&cond);
  64. pthread_mutex_unlock(&mtx); //解锁
  65. sleep(1);
  66. }
  67. printf("thread 1 wanna end the line.So cancel thread 2./n");
  68. //关于pthread_cancel，有一点额外的说明，它是从外部终止子线程，子线程会在最近的取消点，退出
  69. //线程，而在我们的代码里，最近的取消点肯定就是pthread_cond_wait()了。
  70. pthread_cancel(tid);
  71. pthread_join(tid, NULL);
  72. printf("All done -- exiting/n");
  73. return 0;
  74. }

三、信号量(sem)

如同进程一样，线程也可以通过信号量来实现通信，虽然是轻量级的。信号量函数的名字都以"sem_"打头。线程使用的基本信号量函数有四个。

  1. 信号量初始化。
    int sem_init (sem_t *sem , int pshared, unsigned int value);
    这是对由sem指定的信号量进行初始化，设置好它的共享选项(linux 只支持为0，即表示它是当前进程的局部信号量)，然后给它一个初始值VALUE。
  2. 等待信号量。给信号量减1，然后等待直到信号量的值大于0。
    int sem_wait(sem_t *sem);
  3. 释放信号量。信号量值加1。并通知其他等待线程。
    int sem_post(sem_t *sem);
  4. 销毁信号量。我们用完信号量后都它进行清理。归还占有的一切资源。
    int sem_destroy(sem_t *sem);

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    1. #include <stdlib.h>
    2. #include <stdio.h>
    3. #include <unistd.h>
    4. #include <pthread.h>
    5. #include <semaphore.h>
    6. #include <errno.h>
    7. #define return_if_fail(p) if((p) == 0){printf ("[%s]:func error!/n", __func__);return;}
    8. typedef struct _PrivInfo
    9. {
    10. sem_t s1;
    11. sem_t s2;
    12. time_t end_time;
    13. }PrivInfo;
    14. static void info_init (PrivInfo* thiz);
    15. static void info_destroy (PrivInfo* thiz);
    16. static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz);
    17. static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz);
    18. int main (int argc, char** argv)
    19. {
    20. pthread_t pt_1 = 0;
    21. pthread_t pt_2 = 0;
    22. int ret = 0;
    23. PrivInfo* thiz = NULL;
    24. thiz = (PrivInfo* )malloc (sizeof (PrivInfo));
    25. if (thiz == NULL)
    26. {
    27. printf ("[%s]: Failed to malloc priv./n");
    28. return -1;
    29. }
    30. info_init (thiz);
    31. ret = pthread_create (&pt_1, NULL, (void*)pthread_func_1, thiz);
    32. if (ret != 0)
    33. {
    34. perror ("pthread_1_create:");
    35. }
    36. ret = pthread_create (&pt_2, NULL, (void*)pthread_func_2, thiz);
    37. if (ret != 0)
    38. {
    39. perror ("pthread_2_create:");
    40. }
    41. pthread_join (pt_1, NULL);
    42. pthread_join (pt_2, NULL);
    43. info_destroy (thiz);
    44. return 0;
    45. }
    46. static void info_init (PrivInfo* thiz)
    47. {
    48. return_if_fail (thiz != NULL);
    49. thiz->end_time = time(NULL) + 10;
    50. sem_init (&thiz->s1, 0, 1);
    51. sem_init (&thiz->s2, 0, 0);
    52. return;
    53. }
    54. static void info_destroy (PrivInfo* thiz)
    55. {
    56. return_if_fail (thiz != NULL);
    57. sem_destroy (&thiz->s1);
    58. sem_destroy (&thiz->s2);
    59. free (thiz);
    60. thiz = NULL;
    61. return;
    62. }
    63. static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz)
    64. {
    65. return_if_fail(thiz != NULL);
    66. while (time(NULL) < thiz->end_time)
    67. {
    68. sem_wait (&thiz->s2);
    69. printf ("pthread1: pthread1 get the lock./n");
    70. sem_post (&thiz->s1);
    71. printf ("pthread1: pthread1 unlock/n");
    72. sleep (1);
    73. }
    74. return;
    75. }
    76. static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz)
    77. {
    78. return_if_fail (thiz != NULL);
    79. while (time (NULL) < thiz->end_time)
    80. {
    81. sem_wait (&thiz->s1);
    82. printf ("pthread2: pthread2 get the unlock./n");
    83. sem_post (&thiz->s2);
    84. printf ("pthread2: pthread2 unlock./n");
    85. sleep (1);
    86. }
    87. return;
    88. }

转：http://blog.csdn.net/zsf8701/article/details/7844316

时间： 2024-08-01 10:46:56

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