linux线程基础篇----线程同步与互斥
linux线程基础----线程同步与互斥
一、同步的概念
1.同步概念
所谓同步，即同时起步，协调一致。不同的对象，对“同步”的理解方式略有不同。如，设备同步，是指在两个设备
之间规定一个共同的时间参考；数据库同步，是指让两个或多个数据库内容保持一致，或者按需要部分保持一致；
文件同步，是指让两个或多个文件夹里的文件保持一致等等。而编程中、通信中所说的同步与生活中大家印象中的
同步概念略有差异。“同”字应是指协同、协助、互相配合。主旨在协同步调，按预定的先后次序运行。
2.数据混乱的原因
1. 资源共享（独享资源则不会）
2. 调度随机（意味着数据访问会出现竞争）
3. 线程间缺乏必要的同步机制。
以上3点中，前两点不能改变，欲提高效率，传递数据，资源必须共享。只要共享资源，就一定会出现竞争。只要存在竞争关系，
数据就很容易出现混乱。所以只能从第三点着手解决。使多个线程在访问共享资源的时候，出现互斥。
3.线程同步
同步即协同步调，按预定的先后次序运行。
线程同步，指一个线程发出某一功能调用时，在没有得到结果之前，该调用不返回。同时其它线程为保证数据一致性，不能调用
该功能。同步”的目的，是为了避免数据混乱，解决与时间有关的错误。实际上，不仅线程间需要同步，进程间、信号间等等都
需要同步机制。因此，所有“多个控制流，共同操作一个共享资源”的情况，都需要同步。
二、线程同步
线程同步主要有互斥锁，条件变量，读写锁和信号量（还有自旋锁但在用户层不常用，具体参考APUE11.6.7自旋锁）
1.互斥锁
Linux中提供一把互斥锁mutex（也称之为互斥量）。
每个线程在对资源操作前都尝试先加锁，成功加锁才能操作，操作结束解锁。
资源还是共享的，线程间也还是竞争的，
但通过“锁”就将资源的访问变成互斥操作，而后与时间有关的错误也不会再产生了。
但，应注意：同一时刻，只能有一个线程持有该锁。
当A线程对某个全局变量加锁访问，B在访问前尝试加锁，拿不到锁，B阻塞。
C线程不去加锁，而直接访问该全局变量，依然能够访问，但会出现数据混乱。
所以，互斥锁实质上是操作系统提供的一把“建议锁”（又称“协同锁”），
建议程序中有多线程访问共享资源的时候使用该机制。但并没有强制限定。
因此，即使有了mutex，如果有线程不按规则来访问数据，依然会造成数据混乱。
主要应用函数：
pthread_mutex_init函数
pthread_mutex_destroy函数
pthread_mutex_lock函数
pthread_mutex_trylock函数
pthread_mutex_unlock函数
以上5个函数的返回值都是：成功返回0， 失败返回错误号。
pthread_mutex_t 类型，其本质是一个结构体。为简化理解，应用时可忽略其实现细节，简单当成整数看待。
pthread_mutex_t mutex; 变量mutex只有两种取值1、0。
pthread_mutex_init函数
初始化一个互斥锁(互斥量) ---> 初值可看作1
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
参1：传出参数，调用时应传 &mutex
restrict关键字：只用于限制指针，告诉编译器，所有修改该指针指向内存中内容的操作，只能通过本指针完成。
不能通过除本指针以外的其他变量或指针修改
参2：互斥量属性。是一个传入参数，通常传NULL，选用默认属性(线程间共享)。 参APUE.12.4同步属性
- 静态初始化：如果互斥锁 mutex 是静态分配的（定义在全局，或加了static关键字修饰），可以直接使用宏进行初始化。
- e.g. pthead_mutex_t muetx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
- 动态初始化：局部变量应采用动态初始化。e.g. pthread_mutex_init(&mutex, NULL)
pthread_mutex_destroy函数
销毁一个互斥锁
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
pthread_mutex_lock函数
加锁。可理解为将mutex--（或-1）
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
pthread_mutex_unlock函数
解锁。可理解为将mutex ++（或+1）
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
pthread_mutex_trylock函数
尝试加锁
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
加锁与解锁
lock与unlock：
lock尝试加锁，如果加锁不成功，线程阻塞，阻塞到持有该互斥量的其他线程解锁为止。
unlock主动解锁函数，同时将阻塞在该锁上的所有线程全部唤醒，至于哪个线程先被唤醒，取决于优先级、调度。默认：先阻塞、先唤醒。
例如：T1 T2 T3 T4 使用一把mutex锁。T1加锁成功，其他线程均阻塞，直至T1解锁。T1解锁后，T2 T3 T4均被唤醒，并自动再次尝试加锁。
可假想mutex锁 init成功初值为1。 lock 功能是将mutex--， unlock将mutex++
lock与trylock：
lock加锁失败会阻塞，等待锁释放。
trylock加锁失败直接返回错误号（如：EBUSY），不阻塞。
示例代码：生产者与消费者，头文件参考UNPV22E
/* include main */ #include "unpipc.h" #define MAXNITEMS 1000000 #define MAXNTHREADS 100 int nitems; /* read-only by producer and consumer */ struct { pthread_mutex_t mutex; int buff[MAXNITEMS]; int nput; int nval; } shared = { PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER }; void *produce(void *), *consume(void *); int main(int argc, char **argv) { int i, nthreads, count[MAXNTHREADS]; pthread_t tid_produce[MAXNTHREADS], tid_consume; if (argc != 3) err_quit("usage: prodcons2 <#items> <#threads>"); nitems = min(atoi(argv[1]), MAXNITEMS); nthreads = min(atoi(argv[2]), MAXNTHREADS); Set_concurrency(nthreads); /* 4start all the producer threads */ for (i = 0; i < nthreads; i++) { count[i] = 0; Pthread_create(&tid_produce[i], NULL, produce, &count[i]); } /* 4wait for all the producer threads */ for (i = 0; i < nthreads; i++) { Pthread_join(tid_produce[i], NULL); printf("count[%d] = %d\n", i, count[i]); } /* 4start, then wait for the consumer thread */ Pthread_create(&tid_consume, NULL, consume, NULL); Pthread_join(tid_consume, NULL); exit(0); } /* end main */ /* include producer */ void * produce(void *arg) { for ( ; ; ) { Pthread_mutex_lock(&shared.mutex); if (shared.nput >= nitems) { Pthread_mutex_unlock(&shared.mutex); return(NULL); /* array is full, we're done */ } shared.buff[shared.nput] = shared.nval; shared.nput++; shared.nval++; Pthread_mutex_unlock(&shared.mutex); *((int *) arg) += 1; } } void * consume(void *arg) { int i; for (i = 0; i < nitems; i++) { if (shared.buff[i] != i) printf("buff[%d] = %d\n", i, shared.buff[i]); } return(NULL); } /* end producer */
2.条件变量
条件本身不是锁！但它也可以造成线程阻塞。通常与互斥锁配合使用。给多线程提供一个会合的场所。
互斥锁用于上锁，条件变量用于等待。
主要应用函数：
pthread_cond_init函数
pthread_cond_destroy函数
pthread_cond_wait函数
pthread_cond_timedwait函数
pthread_cond_signal函数
pthread_cond_broadcast函数
以上6 个函数的返回值都是：成功返回0， 失败直接返回错误号。
pthread_cond_t类型 用于定义条件变量
pthread_cond_t cond;
pthread_cond_init函数
初始化一个条件变量，定义在全局，因为要在子线程中使用。
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);
参2：attr表条件变量属性，通常为默认值，传NULL即可
也可以使用静态初始化的方法，初始化条件变量，定义在全局：
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_cond_destroy函数
销毁一个条件变量
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
pthread_cond_wait函数
阻塞等待一个条件变量
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);
函数作用：
1.阻塞等待条件变量cond（参1）满足
2.释放已掌握的互斥锁（解锁互斥量）相当于pthread_mutex_unlock(&mutex);
1.2.两步为一个原子操作，不可分割。
3.当被唤醒，pthread_cond_wait函数返回时，解除阻塞并重新申请获取互斥锁pthread_mutex_lock(&mutex);
pthread_cond_timedwait函数
限时等待一个条件变量，使用相对时间，所以要先使用time()函数获取当前时间。
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime);
参3：
struct timespec {
time_t tv_sec; /* seconds */ 秒
long tv_nsec; /* nanosecondes*/ 纳秒
}
形参abstime：绝对时间。
如：time(NULL)返回的就是绝对时间。而alarm(1)是相对时间，相对当前时间定时1秒钟。
struct timespec t = {1, 0};
sem_timedwait(&sem, &t); 这样只能定时到 1970年1月1日 00:00:01秒(早已经过去)
正确用法：
time_t cur = time(NULL); 获取当前时间。
struct timespec t; 定义timespec 结构体变量t
t.tv_sec = cur+1; 定时1秒
pthread_cond_timedwait (&cond, &t); 传参 参APUE.11.6线程同步
在讲解setitimer函数时我们还提到另外一种时间类型：
struct timeval {
time_t tv_sec; /* seconds */ 秒
suseconds_t tv_usec; /* microseconds */ 微秒
};
pthread_cond_signal函数
唤醒至少一个阻塞在条件变量上的线程
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
pthread_cond_broadcast函数
唤醒全部阻塞在条件变量上的线程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
示例代码：生产者消费者模型
/*借助条件变量模拟 生产者-消费者 问题*/
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
/*链表作为公享数据,需被互斥量保护*/
struct msg {
struct msg *next;
int num;
};
struct msg *head;
/* 静态初始化 一个条件变量 和 一个互斥量*/
pthread_cond_t has_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void *consumer(void *p)
{
struct msg *mp;
for (;;) {
pthread_mutex_lock(&lock);
while (head == NULL) { //头指针为空,说明没有节点 可以为if吗
pthread_cond_wait(&has_product, &lock);
}
mp = head;
head = mp->next; //模拟消费掉一个产品
pthread_mutex_unlock(&lock);
printf("-Consume %lu---%d\n", pthread_self(), mp->num);
free(mp);
sleep(rand() % 4);
}
}
void *producer(void *p)
{
struct msg *mp;
for (;;) {
mp = malloc(sizeof(struct msg));
mp->num = rand() % 1000 + 1; //模拟生产一个产品
printf("-Produce -------------%d\n", mp->num);
pthread_mutex_lock(&lock);
mp->next = head;
head = mp;
pthread_mutex_unlock(&lock);
pthread_cond_signal(&has_product); //将等待在该条件变量上的一个线程唤醒
sleep(rand() % 4);
}
}
int main(int argc, char *argv[])
{
pthread_t pid, cid;
srand(time(NULL));
pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);
pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);
pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);
pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);
pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);
pthread_join(pid, NULL);
pthread_join(cid, NULL);
return 0;
}
条件变量的优点：
相较于mutex而言，条件变量可以减少竞争。如直接使用mutex，除了生产者、消费者之间要竞争互斥量以外，
消费者之间也需要竞争互斥量，但如果汇聚（链表）中没有数据，消费者之间竞争互斥锁是无意义的。
有了条件变量机制以后，只有生产者完成生产，才会引起消费者之间的竞争。提高了程序效率。
3.读写锁
与互斥量类似，但读写锁允许更高的并行性。其特性为：写独占，读共享。
读写锁状态：
一把读写锁具备三种状态：
1. 读模式下加锁状态 (读锁)
2. 写模式下加锁状态 (写锁)
3. 不加锁状态
读写锁特性：
1.读写锁是“写模式加锁”时， 解锁前，所有对该锁加锁的线程都会被阻塞。
2.读写锁是“读模式加锁”时， 如果线程以读模式对其加锁会成功；如果线程以写模式加锁会阻塞。
3.读写锁是“读模式加锁”时， 既有试图以写模式加锁的线程，也有试图以读模式加锁的线程。
那么读写锁会阻塞随后的读模式锁请求。优先满足写模式锁。读锁、写锁并行阻塞，写锁优先级高
读写锁也叫共享-独占锁。当读写锁以读模式锁住时，它是以共享模式锁住的；当它以写模式锁住时，它是以独占模式锁住的。写独占、读共享。
读写锁非常适合于对数据结构读的次数远大于写的情况。
主要应用函数：
pthread_rwlock_init函数
pthread_rwlock_destroy函数
pthread_rwlock_rdlock函数
pthread_rwlock_wrlock函数
pthread_rwlock_tryrdlock函数
pthread_rwlock_trywrlock函数
pthread_rwlock_unlock函数
以上7 个函数的返回值都是：成功返回0， 失败直接返回错误号。
pthread_rwlock_t类型 用于定义一个读写锁变量。
pthread_rwlock_t rwlock;
pthread_rwlock_init函数
初始化一把读写锁
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);
参2：attr表读写锁属性，通常使用默认属性，传NULL即可。
pthread_rwlock_destroy函数
销毁一把读写锁
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
pthread_rwlock_rdlock函数
以读方式请求读写锁。（常简称为：请求读锁）
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
pthread_rwlock_wrlock函数
以写方式请求读写锁。（常简称为：请求写锁）
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
pthread_rwlock_unlock函数
解锁
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
pthread_rwlock_tryrdlock函数
非阻塞以读方式请求读写锁（非阻塞请求读锁）
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
pthread_rwlock_trywrlock函数
非阻塞以写方式请求读写锁（非阻塞请求写锁）
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
示例代码：同时有多个线程对同一全局数据读、写操作。
#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <pthread.h> int counter; pthread_rwlock_t rwlock; /* 3个线程不定时写同一全局资源，5个线程不定时读同一全局资源 */ void *th_write(void *arg) { int t; int i = (int)arg; while (1) { pthread_rwlock_wrlock(&rwlock); t = counter; usleep(1000); printf("=======write %d: %lu: counter=%d ++counter=%d\n", i, pthread_self(), t, ++counter); pthread_rwlock_unlock(&rwlock); usleep(10000); } return NULL; } void *th_read(void *arg) { int i = (int)arg; while (1) { pthread_rwlock_rdlock(&rwlock); printf("----------------------------read %d: %lu: %d\n", i, pthread_self(), counter); pthread_rwlock_unlock(&rwlock); usleep(2000); } return NULL; } int main(void) { int i; pthread_t tid[8]; pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL); for (i = 0; i < 3; i++) pthread_create(&tid[i], NULL, th_write, (void *)i); for (i = 0; i < 5; i++) pthread_create(&tid[i+3], NULL, th_read, (void *)i); for (i = 0; i < 8; i++) pthread_join(tid[i], NULL); pthread_rwlock_destroy(&rwlock); return 0; }
4.信号量
信号量有posix有名信号量和无名信号量，还有system V信号量，在这里主要介绍posix无名信号量用于线程同步。
进化版的互斥锁（1 --> N）
由于互斥锁的粒度比较大，如果我们希望在多个线程间对某一对象的部分数据进行共享，使用互斥锁是没有办法实现的，只能将整个数据对象锁住。
这样虽然达到了多线程操作共享数据时保证数据正确性的目的，却无形中导致线程的并发性下降。线程从并行执行，变成了串行执行。与直接使用单进程无异。
信号量，是相对折中的一种处理方式，既能保证同步，数据不混乱，又能提高线程并发
主要应用函数：
sem_init函数
sem_destroy函数
sem_wait函数
sem_trywait函数
sem_timedwait函数
sem_post函数
以上6 个函数的返回值都是：成功返回0， 失败返回-1，同时设置errno。(注意，它们没有pthread前缀)
可以使用perror函数打印出错信息。
sem_t类型，本质仍是结构体。但应用期间可简单看作为整数，忽略实现细节（类似于使用文件描述符）。
sem_t sem; 规定信号量sem不能 < 0。头文件 <semaphore.h>
信号量基本操作：
sem_wait: 1. 信号量大于0，则信号量-- （类比pthread_mutex_lock）
| 2. 信号量等于0，造成线程阻塞
对应
|
sem_post： 将信号量++，同时唤醒阻塞在信号量上的线程 （类比pthread_mutex_unlock）
但，由于sem_t的实现对用户隐藏，所以所谓的++、--操作只能通过函数来实现，而不能直接++、--符号。
信号量的初值，决定了占用信号量的线程的个数。
sem_init函数
初始化一个信号量
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
参1：sem信号量
参2：pshared取0用于线程间；取非0用于进程间
参3：value指定信号量初值
sem_destroy函数
销毁一个信号量
int sem_destroy(sem_t *sem);
sem_wait函数
给信号量加锁 --
int sem_wait(sem_t *sem);
sem_post函数
给信号量解锁 ++
int sem_post(sem_t *sem);
sem_trywait函数
尝试对信号量加锁 -- (与sem_wait的区别类比lock和trylock)
int sem_trywait(sem_t *sem);
sem_timedwait函数
限时尝试对信号量加锁 --
int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);
参2：abs_timeout采用的是绝对时间。
定时1秒：
time_t cur = time(NULL); 获取当前时间。
struct timespec t; 定义timespec 结构体变量t
t.tv_sec = cur+1; 定时1秒
sem_timedwait(&sem, &t); 传参
示例代码：生成者消费者模型，一个生产者多个消费者
/*信号量实现 生产者 消费者问题*/ #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <pthread.h> #include <stdio.h> #include <semaphore.h> #define NUM 5 int idex = 0; pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; //解决多个消费者之间的竞争 int queue[NUM]; //全局数组实现环形队列 sem_t blank_number, product_number; //空格子信号量, 产品信号量 void *producer(void *arg) { int i = 0; while (1) { sem_wait(&blank_number); //生产者将空格子数--,为0则阻塞等待 queue[i] = rand() % 1000 + 1; //生产一个产品 printf("----Produce---%d\n", queue[i]); sem_post(&product_number); //将产品数++ i = (i+1) % NUM; //借助下标实现环形 sleep(rand()%1); } } void *consumer(void *arg) { while (1) { sem_wait(&product_number); //消费者将产品数--,为0则阻塞等待 printf("-Consume---%d %lu\n", queue[idex], pthread_self()); queue[idex] = 0; //消费一个产品 sem_post(&blank_number); //消费掉以后,将空格子数++ pthread_mutex_lock(&lock); idex = (idex+1) % NUM; pthread_mutex_unlock(&lock); sleep(rand()%1); } } int main(int argc, char *argv[]) { pthread_t pid, cid; sem_init(&blank_number, 0, NUM); //初始化空格子信号量为5 sem_init(&product_number, 0, 0); //产品数为0 pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL); pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL); pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL); pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL); pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL); pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL); pthread_join(pid, NULL); pthread_join(cid, NULL); sem_destroy(&blank_number); sem_destroy(&product_number); return 0; }
