linux c 线程同步的三种方法

青旅半醒 2021-09-07 06:14 373阅读 0赞

**目录**

一、互斥锁(mutex)

二、条件变量(cond)

三、信号量(sem)

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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);

#include <cstdio>
    #include <cstdlib>
    #include <unistd.h>
    #include <pthread.h>
    #include "iostream"
    using namespace std;
    pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
    int tmp;
    void* thread(void *arg)
    {
    	cout << "thread id is " << pthread_self() << endl;
    	pthread_mutex_lock(&mutex);
    	tmp = 12;
    	cout << "Now a is " << tmp << endl;
    	pthread_mutex_unlock(&mutex);
    	return NULL;
    }
    int main()
    {
    	pthread_t id;
    	cout << "main thread id is " << pthread_self() << endl;
    	tmp = 3;
    	cout << "In main func tmp = " << tmp << endl;
    	if (!pthread_create(&id, NULL, thread, NULL))
    	{
    		cout << "Create thread success!" << endl;
    	}
    	else
    	{
    		cout << "Create thread failed!" << endl;
    	}
    	pthread_join(id, NULL);
    	pthread_mutex_destroy(&mutex);
    	return 0;
    }
    //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);

#include <stdio.h>
    #include <pthread.h>
    #include "stdlib.h"
    #include "unistd.h"
    pthread_mutex_t mutex;
    pthread_cond_t cond;
    void hander(void *arg)
    {
    	free(arg);
    	(void)pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    void *thread1(void *arg)
    {
    	pthread_cleanup_push(hander, &mutex);
    	while(1)
    	{
    		printf("thread1 is running\n");
    		pthread_mutex_lock(&mutex);
    		pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
    		printf("thread1 applied the condition\n");
    		pthread_mutex_unlock(&mutex);
    		sleep(4);
    	}
    	pthread_cleanup_pop(0);
    }
    void *thread2(void *arg)
    {
    	while(1)
    	{
    		printf("thread2 is running\n");
    		pthread_mutex_lock(&mutex);
    		pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
    		printf("thread2 applied the condition\n");
    		pthread_mutex_unlock(&mutex);
    		sleep(1);
    	}
    }
    int main()
    {
    	pthread_t thid1,thid2;
    	printf("condition variable study!\n");
    	pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    	pthread_cond_init(&cond, NULL);
    	pthread_create(&thid1, NULL, thread1, NULL);
    	pthread_create(&thid2, NULL, thread2, NULL);
    	sleep(1);
    	do
    	{
    		pthread_cond_signal(&cond);
    	}while(1);
    	sleep(20);
    	pthread_exit(0);
    	return 0;
    }

#include <pthread.h>
    #include <unistd.h>
    #include "stdio.h"
    #include "stdlib.h"
    static pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
    static pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
    struct node
    {
    	int n_number;
    	struct node *n_next;
    }*head = NULL;
     
    static void cleanup_handler(void *arg)
    {
    	printf("Cleanup handler of second thread./n");
    	free(arg);
    	(void)pthread_mutex_unlock(&mtx);
    }
    static void *thread_func(void *arg)
    {
    	struct node *p = NULL;
    	pthread_cleanup_push(cleanup_handler, p);
    	while (1)
    	{
    		//这个mutex主要是用来保证pthread_cond_wait的并发性
    		pthread_mutex_lock(&mtx);
    		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
    			// 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
    			//用这个流程是比较清楚的
    			pthread_cond_wait(&cond, &mtx);
    			p = head;
    			head = head->n_next;
    			printf("Got %d from front of queue/n", p->n_number);
    			free(p);
    		}
    		pthread_mutex_unlock(&mtx); //临界区数据操作完毕，释放互斥锁
    	}
    	pthread_cleanup_pop(0);
    	return 0;
    }
    int main(void)
    {
    	pthread_t tid;
    	int i;
    	struct node *p;
    	//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
    	pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
    	sleep(1);
    	for (i = 0; i < 10; i++)
    	{
    		p = (struct node*)malloc(sizeof(struct node));
    		p->n_number = i;
    		pthread_mutex_lock(&mtx); //需要操作head这个临界资源，先加锁，
    		p->n_next = head;
    		head = p;
    		pthread_cond_signal(&cond);
    		pthread_mutex_unlock(&mtx); //解锁
    		sleep(1);
    	}
    	printf("thread 1 wanna end the line.So cancel thread 2./n");
    	//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。
    	pthread_cancel(tid);
    	pthread_join(tid, NULL);
    	printf("All done -- exiting/n");
    	return 0;
    }

### 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);

#include <stdlib.h>
    #include <stdio.h>
    #include <unistd.h>
    #include <pthread.h>
    #include <semaphore.h>
    #include <errno.h>
    #define return_if_fail(p) if((p) == 0){printf ("[%s]:func error!/n", __func__);return;}
    typedef struct _PrivInfo
    {
    	sem_t s1;
    	sem_t s2;
    	time_t end_time;
    }PrivInfo;
     
    static void info_init (PrivInfo* thiz);
    static void info_destroy (PrivInfo* thiz);
    static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz);
    static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz);
     
    int main (int argc, char** argv)
    {
    	pthread_t pt_1 = 0;
    	pthread_t pt_2 = 0;
    	int ret = 0;
    	PrivInfo* thiz = NULL;
    	thiz = (PrivInfo* )malloc (sizeof (PrivInfo));
    	if (thiz == NULL)
    	{
    		printf ("[%s]: Failed to malloc priv./n");
    		return -1;
    	}
    	info_init (thiz);
    	ret = pthread_create (&pt_1, NULL, (void*)pthread_func_1, thiz);
    	if (ret != 0)
    	{
    		perror ("pthread_1_create:");
    	}
    	ret = pthread_create (&pt_2, NULL, (void*)pthread_func_2, thiz);
    	if (ret != 0)
    	{
    		perror ("pthread_2_create:");
    	}
    	pthread_join (pt_1, NULL);
    	pthread_join (pt_2, NULL);
    	info_destroy (thiz);
    	return 0;
    }
    static void info_init (PrivInfo* thiz)
    {
    	return_if_fail (thiz != NULL);
    	thiz->end_time = time(NULL) + 10;
    	sem_init (&thiz->s1, 0, 1);
    	sem_init (&thiz->s2, 0, 0);
    	return;
    }
    static void info_destroy (PrivInfo* thiz)
    {
    	return_if_fail (thiz != NULL);
    	sem_destroy (&thiz->s1);
    	sem_destroy (&thiz->s2);
    	free (thiz);
    	thiz = NULL;
    	return;
    }
    static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz)
    {
    	return_if_fail(thiz != NULL);
    	while (time(NULL) < thiz->end_time)
    	{
    		sem_wait (&thiz->s2);
    		printf ("pthread1: pthread1 get the lock./n");
    		sem_post (&thiz->s1);
    		printf ("pthread1: pthread1 unlock/n");
    		sleep (1);
    	}
    	return;
    }
    static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz)
    {
    	return_if_fail (thiz != NULL);
    	while (time (NULL) < thiz->end_time)
    	{
    		sem_wait (&thiz->s1);
    		printf ("pthread2: pthread2 get the unlock./n");
    		sem_post (&thiz->s2);
    		printf ("pthread2: pthread2 unlock./n");
    		sleep (1);
    	}
    	return;
    }