【线程同步】线程同步（互斥锁和信号量）

1）互斥锁（mutex）

2）条件变量（cond）

3）信号量

线程间信号量用法

信号量的种类

信号量和互斥量的区别

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。（临界区）

1）互斥锁（mutex）

{临界区和互斥量（互斥锁）的区别https://blog.csdn.net/bandaoyu/article/details/8399809

1. Mutexes 操作要比 Critical Section 费时的多。

2. Mutexes 可以跨进程使用，Critical Section 则只能在同一进程中使用。

3. 等待一个 Mutex 时，你可以指定"结束等待"的时间长度，而 Critical Section 则不行。

}

通过锁机制实现线程间的同步。同一时刻只允许一个线程执行一个关键部分的代码。

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,const pthread_mutex_attr_t *mutexattr);

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex *mutex);

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex *mutex);

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex *

(1)先初始化锁init()或静态赋值pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIER

attr_t有:

PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP:其余线程等待队列

PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP:嵌套锁,允许线程多次加锁,不同线程,解锁后重新竞争

PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP:检错,与一同,线程请求已用锁,返回EDEADLK;

PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP:适应锁,解锁后重新竞争

(2)加锁,lock,trylock：lock阻塞等待锁,trylock立即返回EBUSY

(3)解锁,unlock需满足是加锁状态,且由加锁线程解锁

(4)清除锁,destroy(此时锁必需unlock,否则返回EBUSY,//Linux下互斥锁不占用内存资源

示例代码


    #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

说明：pthread库不是Linux系统默认的库，连接时需要使用静态库libpthread.a，所以在使用pthread_create()创建线程，以及调用pthread_atfork()函数建立fork处理程序时，需要链接该库。在编译中要加 -lpthread参数。

2）条件变量（cond）

利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制。条件变量上的基本操作有：触发条件(当条件变为 true 时)；等待条件，挂起线程直到其他线程触发条件。

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond,pthread_condattr_t *cond_attr);   

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);

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

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

(1)初始化

init()或者pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIER（前者为动态初始化，后者为静态初始化）;属性置为NULL

(2)等待条件成立

~~pthread_wait~~ pthread_cond_wait 或~~pthread_timewait~~ pthread_cond_timewait；wait()释放锁,并阻塞等待条件变量为真，timewait()设置等待时间,仍未signal,返回ETIMEOUT(加锁保证只有一个线程wait)

(3)激活条件变量:

pthread_cond_signal或pthread_cond_broadcast(激活所有等待线程)

(4)清除条件变量:

destroy;无线程等待,否则返回EBUSY

对于

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);

一定要在mutex的锁定区域内使用。

如果要正确的使用pthread_mutex_lock与pthread_mutex_unlock，请参考

pthread_cleanup_push和pthread_cleanup_pop宏，它能够在线程被cancel的时候正确的释放mutex！

另外，posix1标准说，pthread_cond_signal与pthread_cond_broadcast无需考虑调用线程是否是mutex的拥有者，也就是说，可以在lock与unlock以外的区域调用。如果我们对调用行为不关心，那么请在lock区域之外调用吧。

说明：

(1)pthread_cond_wait 自动解锁互斥量(如同执行了pthread_unlock_mutex)，并等待条件变量触发。这时线程挂起，不占用CPU时间，直到条件变量被触发（变量为ture）。在调用 pthread_cond_wait之前，应用程序必须加锁互斥量。pthread_cond_wait函数返回前，自动重新对互斥量加锁(如同执行了pthread_lock_mutex)。

(2)互斥量的解锁和在条件变量上挂起都是自动进行的。因此，在条件变量被触发前，如果所有的线程都要对互斥量加锁，这种机制可保证在线程加锁互斥量和进入等待条件变量期间，条件变量不被触发。条件变量要和互斥量相联结，以避免出现条件竞争——个线程预备等待一个条件变量，当它在真正进入等待之前，另一个线程恰好触发了该条件（条件满足信号有可能在测试条件和调用pthread_cond_wait函数（block）之间被发出，从而造成无限制的等待）。

(3)pthread_cond_timedwait 和 pthread_cond_wait 一样，自动解锁互斥量及等待条件变量，但它还限定了等待时间。如果在abstime指定的时间内cond未触发，互斥量mutex被重新加锁，且pthread_cond_timedwait返回错误 ETIMEDOUT。abstime 参数指定一个绝对时间，时间原点与 time 和 gettimeofday相同：abstime = 0 表示 1970年1月1日00:00:00 GMT。

(4)pthread_cond_destroy 销毁一个条件变量，释放它拥有的资源。进入 pthread_cond_destroy 之前，必须没有在该条件变量上等待的线程。

(5)条件变量函数不是异步信号安全的，不应当在信号处理程序中进行调用。特别要注意，如果在信号处理程序中调用 pthread_cond_signal 或pthread_cond_boardcast 函数，可能导致调用线程死锁。

示例程序1
 
    #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);      //_cond_wait一定要在mutex的锁定区域内使用，所以加锁
             pthread_cond_wait(&cond,&mutex); //wait自动解锁等待条件，并在返回时重新加锁
             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;
    }
示例程序2：
    #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; 
    /*[thread_func]*/ 
    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/*block-->unlock-->wait() return-->lock*/ 
             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; 
    }

3）信号量

线程间信号量用法

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。

#include <semaphore.h>
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pshared（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。

两个原子操作函数：

int sem_wait(sem_t *sem);

int sem_post(sem_t *sem);

这两个函数都要用一个由sem_init调用初始化的信号量对象的指针做参数。

sem_post：给信号量的值加1；

sem_wait:给信号量减1；对一个值为0的信号量调用sem_wait,这个函数将会等待直到有其它线程使它不再是0为止。

int sem_destroy(sem_t *sem);

这个函数的作用是再我们用完信号量后都它进行清理。归还自己占有的一切资源。

示例代码：


#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;
}

通过执行结果后，可以看出，会先执行线程二的函数，然后再执行线程一的函数。它们两就实现了同步。在上大学的时候，虽然对这些概念知道，可都没有实践过，所以有时候时间一久就会模糊甚至忘记，到了工作如果还保持这么一种状态，那就太可怕了。虽然现在外面的技术在不断的变化更新，可是不管怎么变，其核心技术还是依旧的，所以我们必须要打好自己的基础，再学习其他新的知识，那时候再学新的知识也会觉得比较简单的。信号量代码摘自linux多线程学习(六)——信号量实现同步。_阿堂的专栏-CSDN博客_信号量如何实现同步

sem_t sem;
定义一个信号量变量。使用时需首先使用sem_init()函数初始化。
在多线程编程中，想让某个线程阻塞等待，减少cpu占用，在该需要运行时才运行。使用信号量一个A线程sem_wait(),阻塞等待；一个B线程在需要运行A线程时sem_post(),解除A线程阻塞。

下面是简单demo：

#include <stdint.h>
#include <semaphore.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
 
sem_t sem;
 
void *testfunc(void *arg)
{
    while(1)
    {
        sem_wait(&sem);
        //do something....
        printf("hello world...\n");
    }
}
 
int main()
{
    pthread_t ps;
    sem_init(&sem, 0, 0);
    pthread_create(&ps,NULL,testfunc,NULL);
    while(1)
    {
        //每隔一秒sem_post 信号量sem加1 子线程sem_wait解除等待 打印hello world
        sem_post(&sem);
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

信号量的种类

首先分为内核信号量和用户态信号量。

1、按用途：进程信号量、线程信号量

2、用户态有三种

1、posix 有名信号灯

2、posix 基于内存的信号灯（无名信号灯） //这个是线程用的信号量因为无名管道就是在父子线程之间的它也一样

3、System V信号灯（IPC对象）

用户态信号量又分为posix信号量和system v信号量。（system v比较复杂，头文件为#include <sys/sem.h>；posix信号量比较简单，#include <semaphore.h>）然后posix信号量又分为有名和无名信号量。

进程间使用的信号灯：

1、posix 有名信号灯使用频率不高，不做介绍

2、System V信号灯它是一个集合一个或者多个信号灯的集合它用于进程之间的同步控制

利用PV原语进行操作它的函数有 :

创建信号灯：

int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);

参数：

key ftok（）函数得到

int nsems 有几个信号灯

semflg 权限例如： IPC_CREAT | 0644

操作信号灯：

int semop(int sem_id, struct sembuf *sem_opa, size_t num_sem_ops);

参数：

semid semget（）的返回值

struct sembuf {

unsigned short sem_num; /* semaphore number */ 编号
short sem_op; /* semaphore operation */ p操作和V操作
short sem_flg; /* operation flags */一般给0

};

nops 要操作的信号灯的个数

对信号灯的控制

int semctl(int semid,int semnum,int cmd,/*union semun arg*/);

参数：

semid semget返回值

semnum 控制几个信号灯

cmd IPC_RMID 删除信号灯集 SETVAL设置信号灯的值 GETVAL 获取信号灯的值

union semun arg //<linux/sem.h>中有定义

union semun {
int val; /* Value for SETVAL */
struct semid_ds *buf; /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
unsigned short *array; /* Array for GETALL, SETALL */

struct seminfo *__buf; /* Buffer for IPC_INFO

(Linux-specific) */

};

进程间信号量用法：

Linux进程间通信（五）：信号量 semget()、semop()、semctl() - 52php - 博客园

线程信号量(posix)

初始化sem                           

 int sem_init(sem_t *sem,int pshared,unsigned int value);

P操作

 int sem_wait(sem_t * sem);   //阻塞

 int sem_trywait(sem_t * sem);    //非阻塞

V操作

int sem_post(sem_t * sem); 

 销毁sem

int sem_destroy(sem_t *sem);

sem_init函数

sem_init函数是Posix信号量操作中的函数。sem_init() 初始化一个定位在 sem 的匿名信号量。value 参数指定信号量的初始值。 pshared 参数指明信号量是由进程内线程共享，还是由进程之间共享。如果 pshared 的值为 0，那么信号量将被进程内的线程共享，并且应该放置在这个进程的所有线程都可见的地址上(如全局变量，或者堆上动态分配的变量)。
如果 pshared 是非零值，那么信号量将在进程之间共享，并且应该定位共享内存区域(见 shm_open(3)、mmap(2) 和 shmget(2))。因为通过 fork(2) 创建的孩子继承其父亲的内存映射，因此它也可以见到这个信号量。所有可以访问共享内存区域的进程都可以用 sem_post(3)、sem_wait(3) 等等操作信号量。初始化一个已经初始的信号量其结果未定义。
返回值
sem_init() 成功时返回 0；错误时，返回 -1，并把 errno 设置为合适的值。
用下面一组函数（系统调用）来实现。
原文链接：https://blog.csdn.net/tomstrong_369/article/details/54312909

信号量和互斥量的区别

信号量不一定是锁定某一个资源，而是流程上的概念，而线程互斥量则是“锁住某一资源”的概念，在锁定期间内，其他线程无法对被保护的数据进行操作。在有些情况下两者可以互换。

mutex干的活儿和semaphore干的活儿不要混起来。

在这里，我模拟一个最典型的使用semaphore的场景：a源自一个线程，b源自另一个线程，计算c = a + b也是一个线程。（即一共三个线程）显然，第三个线程必须等第一、二个线程执行完毕它才能执行。在这个时候，我们就需要调度线程了：让第一、二个线程执行完毕后，再执行第三个线程。此时，就需要用semaphore了。

int a, b, c;
void geta()
{
    a = calculatea();
    semaphore_increase();
}

void getb()
{
    b = calculateb();
    semaphore_increase();
}


void getc()
{
    semaphore_decrease();
    semaphore_decrease();
    c = a + b;
}

t1 = thread_create(geta);
t2 = thread_create(getb);
t3 = thread_create(getc);
thread_join(t3);

// semaphore的机制我在这里就不讲了，百度一下你就知道。
// semaphore_increase对应sem_post
// semaphore_decrease对应sem_wait