APUE学习--Posix线程(2)

线程是CPU调度的最小单位，也就是说一个进程中的多个线程是以不定的调度顺序并发执行的。而一个进程中的多个线程是共享内存资源的，这里就引出了一个概念----临界资源，多个线程都可以访问的资源，而线程中访问临界资源的代码段称为临界区。如果多个线程都有同一个临界资源的临界区，那这些线程的调用顺序不同得到的结果就可能不同，这时我们就需要一些措施使线程按照我们的想法顺序执行从而避免这种情况情况，这个过程称之为线程的同步。

线程同步的第一种措施是互斥量。互斥量实际上是一把锁，相关的操作主要是在临界区前加锁、临界区后解锁；互斥量的类型是pthread_mutex_t。

该类型的初始化和销毁有静态方法和动态方法，其中静态方法很简单：pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;动态方法是使用pthread_mutex_init()和pthread_mutex_destroy()函数。

 

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);
int pthread_mutex_destory(pthread_mutex_t *mutex);

这两种方法在使用时的区别主要在于，第二种方法可以指定互斥量的属性，如果默认属性传NULL即可。

 

加锁、解锁操作如下：

 

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_lock()函数是加锁操作，如果mutex锁处于未加锁状态，则加锁成功继续执行，否则该函数会阻塞至可以加锁为止。pthread_mutex_unlock()函数是解锁操作，如果锁的状态是已加锁，则解锁否则返回错误。pthread_mutex_trylock()函数的功能是尝试加锁，如果锁处于已加锁状态时不阻塞而是返回EBUSY，一般用于可以加锁时访问临界区否则执行另一个操作的情况下。

 

这里的临界资源，并不仅限于全局变量这样每个线程都能访问到的资源，还包括进程中使用的一些其他资源如文件。在多个线程中访问同一个文件的代码也是临界区，所以也需要使用互斥量。Linux系统还给我们提供了现成的文件不同操作函数（原理就是使用了互斥量）。

 

void flockfile(FILE *filehandle);
int ftrylockfile(FILE *filehandle);
void funlockfile(FILE *filehandle);  

这三个函数的功能及使用方法是和互斥量的加锁解锁操作一样的。

在多个线程可以调用同一个函数，使用pthread_once()函数可以指定让该函数在所有线程只被调用一次（被哪个调用不一定）

int pthread_once(pthread_once_t *once_control, void (*init_routine)(void));
pthread_once_t once_control = PTHREAD_ONCE_INIT;

pthread_once()的功能是调用init_routine函数，并保证在整个进程中只被调用一次。

 

还有一种和处理量类似的锁----读写锁，读写锁和互斥锁的区别是：对于临界区加的锁有两种，共享式读锁和独占式写锁，如果临界区中对临界资源只做读的操作则使用读锁即可，否则需要写锁。读锁可以加上多把，但写锁只能加一把（并且不能有读锁）。相关操作如下：

 

pthread_rwlock_t rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZE;
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t * rwlock, const pthread_rwlockattr_t * attr);
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_rwlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

这里所有的操作和互斥量都是类似的。在使用上需要注意点的是，同一时刻只能有一把写锁并且不能有读锁或者可以由不定数量的读锁。
互斥量经常和条件变量一起配合使用，条件变量并不是锁，而是一种等待--通知机制。等待的是条件，通知的是条件达成，提供了线程间的等待条件的方式。条件变量的类型pthread_cond_t，相关的初始化销毁操作如下：

 

 

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
int pthread_cond_init(pthread_cond_t * cond, const pthread_condattr_t *attr); 
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);   

条件变量上的操作是等待和通知，用于等待条件的函数：

 

 

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 * timeout);

pthread_cond_wait()函数的功能分三步：1.将mutex解锁 2.等待通知条件达成 3.将mutex解锁；在等待通知时该线程是处于阻塞状态的。pthread_cond_timedwait()函数与pthread_cond_wait()函数相比，多了一个时间结构，是用于超时计时的，在第二步阻塞时如果超过了这个时间，则会立即返回且返回的错误编码是ETIMEDOUT。注意这个时间并不是时间段而是一个时间点。

 

通知条件达成的函数如下：

 

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond); 
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

这个函数都是用于通知其余线程条件达成，解除第二步的阻塞，这样被通知的线程就可以再次尝试加锁并继续执行。这两个函数的区别是：pthread_cond_signal()用于通知所有处于wait状态的线程中的某一个解除阻塞并尝试加锁，而pthread_cond_broadcast()用于通知所有处于wait状态的线程都解除阻塞并尝试加锁。条件何时达成通知何时发送是由编程员自己确定的，并一定要在条件达成后再发送通知；如果条件在wait前已经达成，则有可能使wait永远等待下去（发送的通知不会一直留着，如果没有接受的也会自动消失）。

 

最后一种同步的措施是使用无名信号量。信号量也称为信号灯，灯亮时表示资源可以使用（可以进入临界区），灯灭时表示无资源可用（不可以进入临界区 阻塞）；并且信号量是一种多灯，也就是说灯的数量可以是多个，但只要有一个亮可以进入临界区；每次进入临界区后应灭一盏灯，每次出临界区后应点亮一盏灯。相关的操作如下：

 

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value); 
int sem_destroy(sem_t *sem);
int sem_wait(sem_t *sem); 
int sem_post(sem_t *sem); 
int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);

sem_init()函数用来初始化一个信号量，pshared为0用于线程间，非0用于进程间；value参数是初始化灯的个数。sem_destroy()函数用来销毁一个信号量。sem_wait()函数用于灭灯，如果无灯可灭则阻塞至有灯亮时再次尝试灭灯；sem_post()函数用于点灯；setm_getvalue()用来获得被点亮的灯的个数。

 

说的锁，不得不提的是死锁的概念。死锁：两个或两个以上的线程（进程）在执行过程中，因竞争资源而造成的一种互相等待的现象。死锁产生的原因：资源竞争以及线程（进程）推进顺序非法。死锁产生的条件：互斥条件、请求和保持条件、不可剥夺条件、环路等待条件。死锁处理方法：预防死锁（破坏条件中的任意一个）、避免死锁（缩短事务的逻辑处理过程、死锁超时、优化程序、仔细测试、错误处理）