互斥锁 和 信号量

pthread_cond_wait()用法分析

 

多线程编程中，发现同步和互斥的手段中，条件变量见到的是最少的。后来查找资料
发现：使用信号量完全可以模拟条件变量，而且通常更加具有优势。
可以用信号量模拟锁和条件变量:
1) 锁,在同一个线程内同时对某个信号量先调用sem_wait再调用sem_post, 两个函数调用其中的区域就是所要保护的临界区代码了,这个时候其实信号量是作为二值计数器来使用的.不过在此之前要初始化该信号量计数为1,见下面例子中的代码.
2) 条件变量,在某个线程中调用sem_wait, 而在另一个线程中调用sem_post.
不过, 信号量除了可以作为二值计数器用于模拟线程锁和条件变量之外, 还有比它们更加强大的功能, 信号量可以用做资源计数器, 也就是说初始化信号量的值为某个资源当前可用的数量, 使用了一个之后递减, 归还了一个之后递增
可以看见,采用信号量作为资源计数之后, 代码变得"很直白",原来的一些保存队列状态的变量都不再需要了.

信号量与线程锁,条件变量相比还有以下几点不同:
1)锁必须是同一个线程获取以及释放, 否则会死锁.而条件变量和信号量则不必.
2)信号的递增与减少会被系统自动记住, 系统内部有一个计数器实现信号量,不必担心会丢失, 而唤醒一个条件变量时,如果没有相应的线程在等待该条件变量, 这次唤醒将被丢失.
 
综上所述：信号量大多数情况下可以淘汰条件变量
分类： linux2009-09-09 15:54 31195人阅读 评论(12) 收藏 举报
threadnullstructsignalapigoogle

很久没看APUE，今天一位朋友问道关于一个mutex的问题，又翻到了以前讨论过的东西，为了不让自己忘记，把曾经的东西总结一下。
先大体看下网上很多地方都有的关于pthread_cond_wait()的说明：

 

条件变量   
    
  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）。为了防止竞争，条件变量的使用总是和一个互斥锁结合在一起。  
    
  1．   创建和注销   
    
  条件变量和互斥锁一样，都有静态动态两种创建方式，静态方式使用PTHREAD_COND_INITIALIZER常量，如下：     
  pthread_cond_t   cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER     
    
  动态方式调用pthread_cond_init()函数，API定义如下：     
  int   pthread_cond_init(pthread_cond_t   *cond,   pthread_condattr_t   *cond_attr)    
    
  尽管POSIX标准中为条件变量定义了属性，但在LinuxThreads中没有实现，因此cond_attr值通常为NULL，且被忽略。   
    
  注销一个条件变量需要调用pthread_cond_destroy()，只有在没有线程在该条件变量上等待的时候才能注销这个条件变量，否则返回EBUSY。因为Linux实现的条件变量没有分配什么资源，所以注销动作只包括检查是否有等待线程。API定义如下：    
  int   pthread_cond_destroy(pthread_cond_t   *cond)     
    
  2．   等待和激发   
    
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)    
    
    
    
  等待条件有两种方式：无条件等待pthread_cond_wait()和计时等待pthread_cond_timedwait()，其中计时等待方式如果在给定时刻前条件没有满足，则返回ETIMEOUT，结束等待，其中abstime以与time()系统调用相同意义的绝对时间形式出现，0表示格林尼治时间1970年1月1日0时0分0秒。  
    
  无论哪种等待方式，都必须和一个互斥锁配合，以防止多个线程同时请求pthread_cond_wait()（或pthread_cond_timedwait()，下同）的竞争条件（Race   Condition）。mutex互斥锁必须是普通锁（PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP）或者适应锁（PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP），且在调用pthread_cond_wait()前必须由本线程加锁（pthread_mutex_lock()），而在更新条件等待队列以前，mutex保持锁定状态，并在线程挂起进入等待前解锁。在条件满足从而离开pthread_cond_wait()之前，mutex将被重新加锁，以与进入pthread_cond_wait()前的加锁动作对应。   
    
  激发条件有两种形式，pthread_cond_signal()激活一个等待该条件的线程，存在多个等待线程时按入队顺序激活其中一个；而pthread_cond_broadcast()则激活所有等待线程。  

 

现在来看一段典型的应用：看注释即可。

[cpp] view plaincopy
  1. #include <pthread.h>  
  2. #include <unistd.h>  
  3.   
  4. static pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;  
  5. static pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;  
  6.   
  7. struct node {  
  8. int n_number;  
  9. struct node *n_next;  
  10. } *head = NULL;  
  11.   
  12. /*[thread_func]*/  
  13. static void cleanup_handler(void *arg)  
  14. {  
  15.     printf("Cleanup handler of second thread./n");  
  16.     free(arg);  
  17.     (void)pthread_mutex_unlock(&mtx);  
  18. }  
  19. static void *thread_func(void *arg)  
  20. {  
  21.     struct node *p = NULL;  
  22.   
  23.     pthread_cleanup_push(cleanup_handler, p);  
  24.     while (1) {  
  25.     pthread_mutex_lock(&mtx);           //这个mutex主要是用来保证pthread_cond_wait的并发性  
  26.     while (head == NULL)   {               //这个while要特别说明一下，单个pthread_cond_wait功能很完善，为何这里要有一个while (head == NULL)呢？因为pthread_cond_wait里的线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。这个时候，应该让线程继续进入pthread_cond_wait  
  27.         pthread_cond_wait(&cond, &mtx);         // pthread_cond_wait会先解除之前的pthread_mutex_lock锁定的mtx，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而被唤醒，唤醒后，该进程会先锁定先pthread_mutex_lock(&mtx);，再读取资源  
  28.                                                 //用这个流程是比较清楚的/*block-->unlock-->wait() return-->lock*/  
  29.     }  
  30.         p = head;  
  31.         head = head->n_next;  
  32.         printf("Got %d from front of queue/n", p->n_number);  
  33.         free(p);  
  34.         pthread_mutex_unlock(&mtx);             //临界区数据操作完毕，释放互斥锁  
  35.     }  
  36.     pthread_cleanup_pop(0);  
  37.     return 0;  
  38. }  
  39.   
  40. int main(void)  
  41. {  
  42.     pthread_t tid;  
  43.     int i;  
  44.     struct node *p;  
  45.     pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);   //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  
  46.     /*[tx6-main]*/  
  47.     for (i = 0; i < 10; i++) {  
  48.         p = malloc(sizeof(struct node));  
  49.         p->n_number = i;  
  50.         pthread_mutex_lock(&mtx);             //需要操作head这个临界资源，先加锁，  
  51.         p->n_next = head;  
  52.         head = p;  
  53.         pthread_cond_signal(&cond);  
  54.         pthread_mutex_unlock(&mtx);           //解锁  
  55.         sleep(1);  
  56.     }  
  57.     printf("thread 1 wanna end the line.So cancel thread 2./n");  
  58.     pthread_cancel(tid);             //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，退出线程，而在我们的代码里，最近的取消点肯定就是pthread_cond_wait()了。关于取消点的信息，有兴趣可以google,这里不多说了  
  59.     pthread_join(tid, NULL);  
  60.     printf("All done -- exiting/n");  
  61.     return 0;  
  62. }  
 
 
 
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互斥锁和条件变量是出自Posix线程标准，用来同步一个进程中各个线程的，同时也可以用来同步几个进程间的，不过这需要此互斥锁和条件变量是存放在多个进程间共享的某个内存区的。

互斥锁上锁与解锁：

 

1 #include <pthread.h>
2  
3 int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
4 int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
5 int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

 

互斥锁初始化的问题:

 

可以通过两种方式初始化一个互斥锁变量：

1，如果互斥锁变量是静态分配的，那么使用如下形式初始化：

static pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

2,如果互斥锁是动态分配的，那么我么可以用pthread_mutex_init函数初始化它。

 

 

1 int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,
2  
3        const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

 

这两者有个很关键的地方，静态分配的话，只能使用默认的属性，而对于动态分配的，我们可以设置属性。

 

 

条件变量：等待与信号发送：

互斥锁有个劣势，那就是他仅仅是上锁和解锁，效率低，这时我们可以通过引入条件变量来解决问题，它允许一个线程或进程睡眠到某个事件为止。

 

1 #include <pthread.h>
2  
3 int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,
4        pthread_mutex_t *restrict mutex,
5        const struct timespec *restrict abstime);
6 int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,
7        pthread_mutex_t *restrict mutex);
1 #include <pthread.h>
2  
3 int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
4 int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
 每一个条件变量总是有一个互斥锁与之关联，我们再等待某个条件为真时，还会指定条件变量的地址和所关联的互斥锁的地址，这是什么意思呢？就是说，在使用pthread_cond_wait函数之前，我们要先用一个互斥锁锁住，然后当我们调用pthread_cond_wait函数进入睡眠。注意：该函数原子的执行两个动作：
1，给互斥锁解锁。（这就要求在调用这个函数之前要上锁）

 2，把调用线程投入睡眠。

一旦这个函数被唤醒后，那么在此函数返回前重新给互斥锁上锁。这也就决定了在接下来的程序里必须有解锁的步骤。

 

互斥锁和条件变量的属性：

我们可以通过设置属性来选择是一个进程中多个线程同步还是多个进程间的同步。

 

1 #include <pthread.h>
2  
3 int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
4 int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,
5        const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
6 int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
7 int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,
8        const pthread_condattr_t *restrict attr);

 

 

 互斥锁和条件变量的属性如同互斥锁和条件变量一样，也分为静态和动态分配及其初始化。

 

1 #include <pthread.h>
2  
3 int pthread_mutexattr_destroy(pthread_mutexattr_t *attr);
4 int pthread_mutexattr_init(pthread_mutexattr_t *attr);
5 int pthread_condattr_destroy(pthread_condattr_t *attr);
6 int pthread_condattr_init(pthread_condattr_t *attr);

 

至于前面讲到的更改互斥锁和条件变量的属性来达到切换是线程间同步还是进程间同步的问题是通过如下函数来操作的：

 

 

01 #include <pthread.h>
02  
03 int pthread_mutexattr_getpshared(const pthread_mutexattr_t *
04        restrict attr, int *restrict pshared);
05 int pthread_mutexattr_setpshared(pthread_mutexattr_t *attr,
06        int pshared);
07 int pthread_condattr_getpshared(const pthread_condattr_t *restrict attr,
08        int *restrict pshared);
09 int pthread_condattr_setpshared(pthread_condattr_t *attr,
10        int pshared);

 

pshared的值就是用来设置这个属性的值，它可以是PTHREAD_PROCESS_PRIVATE（线程间同步）或PTHREAD_PROCESS_SHARED（进程间同步）。

 

 

条件变量定时等待和广播：

用来唤醒阻塞在此条件变量上的所有线程。

 

1 #include <pthread.h>
2  
3 int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
4 int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,
5        pthread_mutex_t *restrict mutex,
6        const struct timespec *restrict abstime);
7 int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,
8        pthread_mutex_t *restrict mutex);

 

这里要说明一点，对于第二个函数所提到的abstime，这是绝对时间，而不是我们一般索说到的相差时间，也就是说这个时间是指自UTC时间以来所流逝的秒数和纳秒数，这样就有个一个好处：如果函数因为有信号到来而过早返回了，那么这个函数可以在无需更改参数的情况下继续再次被调用。

 

 

小结：

互斥锁用于保护代码临界区，从而保证任何时刻只有一个线程或者进程在临界区执行。有时候一个线程获得某个互斥锁后，发现自己需要等待某个条件变为真，这样线程就可以等待在某个条件上。条件变量总是有一个互斥锁与之关联。

互斥锁和条件变量可以静态分配并静态初始化。它们也可以动态分配并要求动态地初始化它们。动态初始化允许我们指定进程间共享属性，从而允许在不同进程间共享某个互斥锁或条件变量，其前提是该互斥锁或条件变量必须存在在由这些进程共享的内存区。 

 
 
 
 

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