linux 互斥锁和条件变量
为什么有条件变量?
请参看一个线程等待某种事件发生
注意:本文是linux c版本的条件变量和互斥锁(mutex),不是C++的。
mutex : mutual exclusion(相互排斥)
1,互斥锁的初始化,有以下2种方式。
- 调用方法的初始化:互斥锁是用malloc动态分配,或者分配在内存共享区的时候使用。
- 不调用方法的初始化:静态分配的时候使用。
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,
const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
- 返回值:成功0;失败errno
2,互斥锁的销毁
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
- 返回值:成功0;失败errno
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
3,加锁和解锁
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
- pthread_mutex_lock:加锁。如果是没有加锁的状态,则加锁并返回不阻塞。如果是已经被加锁的状态,这阻塞在这里,并一直等待,直到解锁。
- pthread_mutex_trylock:尝试去加锁。如果是没有加锁的状态,则加锁并返回不阻塞。果是已经被加锁的状态,则不阻塞,立即返回,返回值为EBUSY。
4,条件变量的2个函数
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,
pthread_mutex_t *restrict mutex);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
-
pthread_cond_wait:
-
调用此函数时点的处理:
1,给互斥锁解锁。
2,把调用此函数的线程投入睡眠,直到另外某个线程就本条件变量调用pthread_cond_signal。
-
被唤醒后的处理:返回前重新给互斥锁加锁。
-
-
pthread_cond_signal:唤醒调用pthread_cond_wait函数的线程
条件变量通常用于生产者和消费者模式。
什么是生成者和消费者模式?
版本1:所有生产者线程是并行执行的,消费者线程是等待所有的生产者线性执行结束后,消费者线程才开始执行。
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define MAXITEM 100000000
#define MAXTHREAD 100
#define min(x,y) ( x>y?y:x )
int nitem;
struct {
pthread_mutex_t mutex;
int buf[MAXITEM];
int idx;
int val;
}shared = {
PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER
};
void* produce(void*);
void* consume(void*);
int main(int argc, char** argv){
int i;
int nthreads;
int count[MAXTHREAD];
pthread_t tid_produce[MAXTHREAD], tid_consume;
if(argc != 3){
printf("arg error\n");
return 1;
}
nitem = min(MAXITEM,atoi(argv[1]));
nthreads = min(MAXTHREAD, atoi(argv[2]));
for(i = 0; i < nthreads; ++i){
count[i] = 0;
pthread_create(&tid_produce[i], NULL, produce, &count[i]);
}
for(i = 0; i < nthreads; ++i){
pthread_join(tid_produce[i], NULL);
printf("cout[%d] = %d\n", i, count[i]);
}
pthread_create(&tid_consume, NULL, consume, NULL);
pthread_join(tid_consume, NULL);
return 0;
}
void* produce(void* arg){
while(1){
pthread_mutex_lock(&shared.mutex);
if(shared.idx >= nitem){
pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
return NULL;
}
shared.buf[shared.idx] = shared.val;
shared.idx++;
shared.val++;
pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
*((int*)arg) +=1;
}
}
void* consume(void* arg){
int i;
for(i = 0; i < nitem; ++i){
if(shared.buf[i] != i){
printf("buf[%d] = %d\n", i, shared.buf[i]);
}
}
}
版本2:所有生产者线程和消费者线程都是并行执行的。这时会有个问题,就是消费者线程被先执行的情况下,生产者线程还没有生产数据,这时消费者线程就只能循环给互斥锁解锁又上锁。这成为轮转(spinning)或者轮询(polling),是一种多CPU时间的浪费。我们也可以睡眠很短的一段时间,但是不知道睡多久。这时,条件变量就登场了。
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define MAXITEM 100000000
#define MAXTHREAD 100
#define min(x,y) ( x>y?y:x )
int nitem;
struct {
pthread_mutex_t mutex;
int buf[MAXITEM];
int idx;
int val;
}shared = {
PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER
};
void* produce(void*);
void* consume(void*);
int main(int argc, char** argv){
int i;
int nthreads;
int count[MAXTHREAD];
pthread_t tid_produce[MAXTHREAD], tid_consume;
if(argc != 3){
printf("arg error\n");
return 1;
}
nitem = min(MAXITEM,atoi(argv[1]));
nthreads = min(MAXTHREAD, atoi(argv[2]));
for(i = 0; i < nthreads; ++i){
count[i] = 0;
pthread_create(&tid_produce[i], NULL, produce, &count[i]);
}
pthread_create(&tid_consume, NULL, consume, NULL);
for(i = 0; i < nthreads; ++i){
pthread_join(tid_produce[i], NULL);
printf("cout[%d] = %d\n", i, count[i]);
}
pthread_join(tid_consume, NULL);
return 0;
}
void* produce(void* arg){
while(1){
pthread_mutex_lock(&shared.mutex);
if(shared.idx >= nitem){
pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
return NULL;
}
shared.buf[shared.idx] = shared.val;
shared.idx++;
shared.val++;
pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
*((int*)arg) +=1;
}
}
void consume_wait(int i){
while(1){
pthread_mutex_lock(&shared.mutex);
if(i < shared.idx){
pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
return;
}
pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
}
}
void* consume(void* arg){
int i;
for(i = 0; i < nitem; ++i){
consume_wait(i);
if(shared.buf[i] != i){
printf("buf[%d] = %d\n", i, shared.buf[i]);
}
}
return NULL;
}
版本3:所有生产者线程和消费者线程都是并行执行的。解决版本2的轮询问题。使用条件变量。
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define MAXITEM 100000000
#define MAXTHREAD 100
#define min(x,y) ( x>y?y:x )
int nitem;
int buf[MAXITEM];
struct {
pthread_mutex_t mutex;
int idx;
int val;
} shared = {
PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER
};
struct {
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;
int nready;
} nready = {
PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER,
PTHREAD_COND_INITIALIZER
};
void* produce(void*);
void* consume(void*);
int main(int argc, char** argv){
int i;
int nthreads;
int count[MAXTHREAD];
pthread_t tid_produce[MAXTHREAD], tid_consume;
if(argc != 3){
printf("arg error\n");
return 1;
}
nitem = min(MAXITEM,atoi(argv[1]));
nthreads = min(MAXTHREAD, atoi(argv[2]));
for(i = 0; i < nthreads; ++i){
count[i] = 0;
pthread_create(&tid_produce[i], NULL, produce, &count[i]);
}
pthread_create(&tid_consume, NULL, consume, NULL);
for(i = 0; i < nthreads; ++i){
pthread_join(tid_produce[i], NULL);
printf("cout[%d] = %d\n", i, count[i]);
}
pthread_join(tid_consume, NULL);
return 0;
}
void* produce(void* arg){
while(1){
pthread_mutex_lock(&shared.mutex);
if(shared.idx >= nitem){
pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
return NULL;
}
buf[shared.idx] = shared.val;
shared.idx++;
shared.val++;
pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
pthread_mutex_lock(&nready.mutex);
if(nready.nready == 0){
pthread_cond_signal(&nready.cond);//--------------②
}
nready.nready++;
pthread_mutex_unlock(&nready.mutex);//--------------③
*((int*) arg) += 1;
}
}
void* consume(void* arg){
int i;
for(i = 0; i < nitem; ++i){
pthread_mutex_lock(&nready.mutex);
while(nready.nready == 0){//--------------①
pthread_cond_wait(&nready.cond, &nready.mutex);
}
nready.nready--;
pthread_mutex_unlock(&nready.mutex);
if(buf[i] != i){
printf("buf[%d] = %d\n", i, buf[i]);
}
}
printf("buf[%d] = %d\n", nitem-1, buf[nitem-1]);
}
关于互斥锁和条件变量的最佳实践:
1,把要多个线程共享的数据定义和互斥锁定义在一个结构体里。
2,把条件变量,互斥锁,和临界条件定义在一个结构体里。
3,在①的地方,最后不要用if,理由是,pthread_cond_wait返回后,有可能另一个消费者线程把它消费掉了,所以要再次测试相应的条件成立与否,防止发生虚假的(spurious)唤醒。各种线程都应该试图最大限度减少这些虚假唤醒,但是仍有可能发生。
4,注意②处的代码pthread_cond_signal,设想一下最坏的情况,调用该函数后,另外一个等待的线程立即被唤醒,所以被唤醒的pthread_cond_wait函数要立即加锁,但是调用pthread_cond_signal函数的线程还没有执行到③处的pthread_mutex_unlock,所以被唤醒的线程又立即终止了。所以为了避免这种情况发生,把②处的代码pthread_cond_signal放在③处的下一行。
参考下面的伪代码:
int flag;
pthread_mutex_lock(&nready.mutex);
int = nready.nready == 0);
nready.nready++;
pthread_mutex_unlock(&nready.mutex);
if(flag){
pthread_cond_signal(&nready.cond);
}