线程同步
我们使用互斥锁解决了多个线程的竞态条件问题。
互斥锁的一个主要特点是,谁先拿到锁先就可以优先访问共享资源,因此多个线程访问共享资源的互斥性是得到了保证,但是在某些场合可能还希望确保线程间执行的顺序。
如我们有一个共享内存数据资源M,我们整个程序设计需求是要求线程A在M上做了处理之后,线程B才能做处理。这种需要确保多线程间执行先后顺序的技术,称为线程的同步。
条件变量是线程同步的主要手段。其大致的实现思想就是:
线程B,调用条件变量的接口让自身阻塞;
线程A,在处理完资源后,通过条件变量接口唤醒正在等待该资源的线程B。
条件变量的初始化也有静态初始化和动态初始化两种方式。
//静态初始化 // 与互斥锁类似静态初始化一个全局的条件变量 pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER; //动态初始化 #include <pthread.h> int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr); //通知和等待条件变量 #include <pthread.h> // 等待一个指定的条件变量 int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex); // 唤醒一个等待该条件变量的线程 int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond); // 唤醒所有等待该条件变量的线程 int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
需要使用条件变量时,总是意味着有多个线程在使用某一共享资源或状态,而条件变量本身并不提供互斥性的保证,因此,条件变量需要结合互斥锁使用。 我们用伪代码来演示,如何使用条件变量解决上述线程A和线程B的同步问题:
//全局初始化 pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER; pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; //线程A pthread_mutex_lock(&mtx); // 处理资源M // 处理完资源M后,设置资源M的状态为线程B可用 pthread_mutex_unlock(&mtx); pthread_cond_signal(&cond); //线程B pthread_mutex_lock(&mtx); while(/*资源M线程B不可用*/) pthread_cond_wait(&cond, &mtx); // 开始处理资源M pthread_mutex_unlock(&mtx);
线程B的pthread_cond_wait函数需要一个互斥锁参数,其内部会执行以下操作:
解锁互斥锁
阻塞调用线程,直到等待的条件变量被唤醒
重新锁定互斥锁
下面我们通过通过来实例演示如何使用条件变量来同步线程。
题目如下:
有两个线程线程1和线程2:线程1的功能就是输出A,线程2的功能就是输出B。
现在有一个文件file初始为空。要让该文件呈如下格式:
file:ABAB....
/* pthread_cond_sample.c */ #include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> #include <stdlib.h> #include <stdint.h> pthread_t threads[2]; char writer_char[2] = {'A', 'B'}; pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER; struct file_res{ pthread_t *writer; /*当前文件可以被哪个线程写入*/ int fd; /*文件描述符*/ }file_res = { .writer=&threads[0],/*file初始化可以被线程1写入'A'*/ }; /*线程1和线程2的入口函数*/ void *writer_routine(void *arg) { int index = (intptr_t)arg; int i = 0; int next_index=0; printf("thread %d is running, and will write '%c' to file\n", index, writer_char[index]); while(1) { if (0!=pthread_mutex_lock(&mutex)) exit(-1); for(;;) { /*如果当前线程可写file, 执行写操作*/ if (&threads[index]==file_res.writer) { write(file_res.fd, &writer_char[index], sizeof(writer_char[index])); /*更新下一个可写线程*/ next_index = (index+1)%2; file_res.writer = &threads[next_index]; /*执行写操作后,break for循环通过条件变量通知其他线程写*/ break; } /*当前线程不可写,等待其他线程唤醒*/ pthread_cond_wait(&cond,&mutex); } if (0!=pthread_mutex_unlock(&mutex)) exit(-1); /*唤醒下一个线程*/ pthread_cond_signal(&cond); } } int main(int argc, char* argv[]) { /*创建空文件file*/ char file_name[] = "file"; if ((file_res.fd = open(file_name, O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC, 0666)) < 0) { printf("open %s error.\n", file_name); exit(-1); } /*创建线程1和线程2*/ int i; for (i=0; i<(sizeof(threads)/sizeof(pthread_t)); i++) { if(pthread_create(&threads[i], NULL, writer_routine, (void *)(intptr_t)i)) { printf("create writer thread error\n"); exit(-1); } } /*主线程退出*/ pthread_exit(NULL); }
运行结果:
打开同目录下的file文件都是很多个AB互写。