Linux C编程之十五 线程同步

一、整体大纲

二、线程同步

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. 线程同步

(1)线程同步概念

    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。

    举例1: 银行存款 5000。柜台,折:取3000;提款机,卡:取 3000。剩余:2000

    举例2: 内存中100字节,线程T1欲填入全1, 线程T2欲填入全0。但如果T1执行了50个字节失去cpu,T2执行,会将T1写过的内容覆盖。当T1再次获得cpu继续 从失去cpu的位置向后写入1,当执

行结束,内存中的100字节,既不是全1,也不是全0。

    产生的现象叫做“与时间有关的错误”(time related)。为了避免这种数据混乱,线程需要同步。

    “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。

(2)数据混乱原因

   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. 实现线程同步

(1)互斥量mutex

    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。

   1)主要函数

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);

    2)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。

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <unistd.h>
 3 #include <pthread.h>
 4 #include <string.h>
 5 
 6 pthread_mutex_t mutex;
 7 
 8 void *thr(void *arg)
 9 {
10     while(1)
11     {
12         pthread_mutex_lock(&mutex);
13         printf("hello world\n");
14         sleep(30);
15         pthread_mutex_unlock(&mutex);
16     }
17 
18     return NULL;
19 }
20 
21 int main()
22 {
23     pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
24     pthread_t tid;
25     pthread_create(&tid, NULL, thr, NULL);
26 
27     sleep(1);
28 
29     while (1)
30     {
31         int ret = pthread_mutex_trylock(&mutex);
32         if (ret > 0)
33         {
34             printf("ret = %d, errmsg = %s\n", ret, strerror(ret));
35         }
36         sleep(1);
37     }
38 
39     return 0;
40 }
trylock示例

    3)加锁步骤测试

    看如下程序:该程序是非常典型的,由于共享、竞争而没有加任何同步机制,导致产生于时间有关的错误,造成数据混乱:

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <unistd.h>
 3 #include <pthread.h>
 4 #include <stdlib.h>
 5 
 6 void *thr1(void *arg)
 7 {
 8     while(1)
 9     {
10         printf("hello");
11         sleep(rand()%3);
12         printf("world\n");
13         sleep(rand()%3);
14     }
15 }
16 
17 void *thr2(void *arg)
18 {
19     while(1)
20     {
21         printf("HELLO");
22         sleep(rand()%3);
23         printf("WORLD\n");
24         sleep(rand()%3);
25     }
26 }
27 
28 int main()
29 {
30     pthread_t thr[2];
31     pthread_create(&thr[0], NULL, thr1, NULL);
32     pthread_create(&thr[1], NULL, thr2, NULL);
33 
34     pthread_join(thr[0], NULL);
35     pthread_join(thr[1], NULL);
36 
37     return 0;
38 }
多线程数据打印混乱

    练习:修改该程序,使用mutex互斥锁进行同步。

    定义全局互斥量,初始化init(&m, NULL)互斥量,添加对应的destry

    两个线程while中,两次printf前后,分别加lock和unlock

    将unlock挪至第二个sleep后,发现交替现象很难出现。

    线程在操作完共享资源后本应该立即解锁,但修改后,线程抱着锁睡眠。睡醒解锁后又立即加锁,这两个库函数本身不会阻塞。

    所以在这两行代码之间失去cpu的概率很小。因此,另外一个线程很难得到加锁的机会。

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <unistd.h>
 3 #include <pthread.h>
 4 #include <stdlib.h>
 5 
 6 pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
 7 
 8 void *thr1(void *arg)
 9 {
10     while(1)
11     {
12         //先上锁
13         pthread_mutex_lock(&mutex); //加锁当有线程已经枷锁的时候,阻塞
14         printf("hello");
15         sleep(rand()%3);
16         printf("world\n");
17         //sleep(rand()%3);
18         //解锁
19         pthread_mutex_unlock(&mutex);
20         sleep(rand()%3);
21     }
22 }
23 
24 void *thr2(void *arg)
25 {
26     while(1)
27     {
28         //上锁
29         pthread_mutex_lock(&mutex);
30         printf("HELLO");
31         sleep(rand()%3);
32         printf("WORLD\n");
33         //sleep(rand()%3);
34         //解锁
35         pthread_mutex_unlock(&mutex);
36         sleep(rand()%3);
37     }
38 }
39 
40 int main()
41 {
42     pthread_t thr[2];
43     pthread_create(&thr[0], NULL, thr1, NULL);
44     pthread_create(&thr[1], NULL, thr2, NULL);
45 
46     pthread_join(thr[0], NULL);
47     pthread_join(thr[1], NULL);
48 
49     return 0;
50 }
bug修复版(加互斥锁)

    结论:

    在访问共享资源前加锁,访问结束后立即解锁。锁的“粒度”应越小越好。

    4)死锁

  • 线程试图对同一个互斥量A加锁两次。
  • 线程1拥有A锁,请求获得B锁;线程2拥有B锁,请求获得A锁

    练习:编写程序,实现上述两种死锁现象。

(2)读写锁

    1)概念

    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。

    2)读写锁状态

    一把读写锁具备三种状态:

    a. 读模式下加锁状态 (读锁)

    b. 写模式下加锁状态 (写锁)

    c. 不加锁状态

    3)读写锁特性

  • 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。
  • 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。
  • 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。

     3)主要函数

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);

    4)读写锁示例

    看如下示例,同时有多个线程对同一全局数据读、写操作。

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <unistd.h>
 3 #include <pthread.h>
 4 
 5 int begin_num = 1000;
 6 pthread_rwlock_t rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;
 7 
 8 void *thr_write(void *arg)
 9 {
10     while(1)
11     {
12         pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
13         printf("funcname = %s, self = %lu, begin_num = %d\n", __FUNCTION__, pthread_self(), begin_num++);
14         usleep(2000); //模拟占用时间
15         pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
16         usleep(3000); //防止释放锁之后又去抢
17     }
18 }
19 
20 void *thr_read(void *arg)
21 {
22     while(1)
23     {
24         pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
25         printf("funcname = %s, self = %lu, begin_num = %d\n", __FUNCTION__, pthread_self(), begin_num);
26         usleep(2000); //模拟占用时间
27         pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
28         usleep(2000); //防止释放锁之后又去抢
29     }
30 }
31 int main()
32 {
33     int n = 8, i = 0;
34     pthread_t tid[8]; //5-read, 3-write
35     for (i = 0; i < 5; i++)
36     {
37         pthread_create(&tid[i], NULL, thr_read, NULL);
38     }
39 
40     for (; i < n; i++)
41     {
42         pthread_create(&tid[i], NULL, thr_write, NULL);
43     }
44 
45     for (i = 0; i < n; i++)
46     {
47         pthread_join(tid[i], NULL);
48     }
49 
50     return 0;
51 }
读写锁示例

    读写锁场景练习:

    a. 线程A加写锁成功,线程B请求读锁
        线程B阻塞

    b. 线程A持有读锁,线程B请求写锁
        线程B阻塞

    c. 线程A持有读锁,线程B请求读锁
        B加锁成功

    d. 线程A持有读锁,然后线程B请求写锁,然后线程C请求读锁
       BC阻塞
       A释放后,B加锁
       B释放后,C加锁

    e. 线程A持有写锁,然后线程B请求读锁,然后线程C请求写锁
       BC阻塞
       A释放,C加锁
       C释放,B加锁

(3)条件变量

    1)概念

    条件变量本身不是锁!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。

    2)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

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:

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:

    a. 阻塞等待条件变量cond(参1)满足

    b. 释放已掌握的互斥锁(解锁互斥量)相当于pthread_mutex_unlock(&mutex);
        a.b.两步为一个原子操作。

    c. 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

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime);

    参3: 参看man sem_timedwait函数,查看struct timespec结构体。

struct timespec {
    time_t tv_sec; /* seconds */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};

    pthread_cond_timedwait (&cond, &mutex, &t); 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, &mutex, &t); 传参 参APUE.11.6线程同步条件变量小节

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);

    3)生产者消费者条件变量模型

    线程同步典型的案例即为生产者消费者模型,而借助条件变量来实现这一模型,是比较常见的一种方法。假定有两个线程,一个模拟生产者行为,一个模拟消费者行为。两个线程同时操作一个共

享资源(一般称之为汇聚),生产向其中添加产品,消费者从中消费掉产品。

    看如下示例,使用条件变量模拟生产者、消费者问题:

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <unistd.h>
 3 #include <pthread.h>
 4 #include <stdlib.h>
 5 
 6 int begin_num = 1000;
 7 
 8 pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
 9 pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
10 
11 typedef struct _ProdInfo{
12     int num;
13     struct _ProdInfo *next;
14 }ProdInfo;
15 
16 ProdInfo *Head = NULL;
17 
18 void *thr_producter(void *arg)
19 {
20     //负责在链表添加数据
21     while(1)
22     {
23         ProdInfo *prod = malloc(sizeof(ProdInfo));
24         prod->num = begin_num++;
25         printf("funcname = %s, self = %lu, data = %d\n", __FUNCTION__, pthread_self(), prod->num);
26 
27         pthread_mutex_lock(&mutex);
28         //add to list
29         prod->next = Head;
30         Head = prod;
31         pthread_mutex_unlock(&mutex);
32 
33         //发起通知
34         pthread_cond_signal(&cond);
35         sleep(rand()%3);
36     }
37 
38     return NULL;
39 }
40 
41 void *thr_consumer(void *arg)
42 {
43     ProdInfo *prod = NULL;
44 
45     while(1)
46     {
47         //取链表的数据
48         pthread_mutex_lock(&mutex);
49         //if (Head == NULL)
50         while (Head == NULL)
51         {
52             pthread_cond_wait(&cond, &mutex); //在此之前必须先加锁
53         }
54         prod = Head;
55         Head = Head->next;
56         printf("funcname = %s, self = %lu, data = %d\n", __FUNCTION__, pthread_self(), prod->num);
57         pthread_mutex_unlock(&mutex);
58         sleep(rand()%3);
59         free(prod);
60     }
61 
62     return NULL;
63 }
64 
65 int main()
66 {
67     pthread_t tid[3];
68     pthread_create(&tid[0], NULL, thr_producter, NULL);
69     pthread_create(&tid[1], NULL, thr_consumer, NULL);
70     pthread_create(&tid[2], NULL, thr_consumer, NULL);
71 
72     pthread_join(tid[0], NULL);
73     pthread_join(tid[1], NULL);
74     pthread_join(tid[2], NULL);
75 
76     pthread_mutex_destroy(&mutex);
77     pthread_cond_destroy(&cond);
78 
79     return 0;
80 }
条件变量实现生产者消费者模型

    4)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。

(4)信号量

    1)概念

    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。

    2)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)

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:

                 a. 信号量大于0,则信号量-- (类比pthread_mutex_lock)

                 b. 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(一般为1)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
t.tv_nsec = t.tv_sec +100;
sem_timedwait(&sem, &t); 传参

   3)生产者消费者信号量模型

    使用信号量完成线程间同步,模拟生产者,消费者问题。

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <unistd.h>
 3 #include <pthread.h>
 4 #include <semaphore.h>
 5 #include <stdlib.h>
 6 
 7 //blank -- 生产者
 8 //xfull -- 消费者
 9 sem_t blank, xfull;
10 #define _SEM_CNT_ 5
11 
12 int queue[_SEM_CNT_]; //存放生产者数据
13 int begin_num = 100;
14 
15 void *thr_producter(void *arg)
16 {
17     int i = 0;
18     while(1)
19     {
20         sem_wait(&blank); //申请资源 blank--
21         printf("funcname = %s, self = %lu, num = %d\n", __FUNCTION__, pthread_self(), begin_num);
22         queue[(i++)%_SEM_CNT_] = begin_num++;
23         sem_post(&xfull); //xfull++
24         sleep(rand()%3);
25     }
26 
27     return NULL;
28 }
29 void *thr_consumer(void *arg)
30 {
31     int i = 0;
32     int num = 0;
33     while(1)
34     {
35         sem_wait(&xfull);
36         num = queue[(i++)%_SEM_CNT_];
37         printf("funcname = %s, self = %lu, num = %d\n", __FUNCTION__, pthread_self(), num);
38         sem_post(&blank);
39         sleep(rand()%3);
40     }
41 
42     return NULL;
43 }
44 
45 int main()
46 {
47     sem_init(&blank, 0, _SEM_CNT_);
48     sem_init(&xfull, 0, 0); //消费者一开始初始化,默认没有产品
49 
50     pthread_t tid[2];
51     pthread_create(&tid[0], NULL, thr_producter, NULL);
52     pthread_create(&tid[1], NULL, thr_consumer, NULL);
53 
54     pthread_join(tid[0], NULL);
55     pthread_join(tid[1], NULL);
56 
57     sem_destroy(&blank);
58     sem_destroy(&xfull);
59 
60     return 0;
61 }
信号量实现生产者消费者模型

(5)进程间同步

    互斥量mutex

    进程间也可以使用互斥锁,来达到同步的目的。但应在pthread_mutex_init初始化之前,修改其属性为进程间共享。mutex的属性修改函数主要有以下几个。

    主要应用函数:

pthread_mutexattr_t mattr 类型: 用于定义mutex锁的【属性】
pthread_mutexattr_init函数: 初始化一个mutex属性对象
int pthread_mutexattr_init(pthread_mutexattr_t *attr);
pthread_mutexattr_destroy函数: 销毁mutex属性对象 (而非销毁锁)
int pthread_mutexattr_destroy(pthread_mutexattr_t *attr);
pthread_mutexattr_setpshared函数: 修改mutex属性。
int pthread_mutexattr_setpshared(pthread_mutexattr_t *attr, int pshared);
参2:pshared取值:

线程锁:PTHREAD_PROCESS_PRIVATE (mutex的默认属性即为线程锁,进程间私有)
进程锁:PTHREAD_PROCESS_SHARED

    进程间mutex示例:

 1 #include <fcntl.h>
 2 #include <pthread.h>
 3 #include <sys/mman.h>
 4 #include <sys/wait.h>
 5 
 6 struct mt{
 7     int num;
 8     pthread_mutex_t mutex;
 9     pthread_mutexattr_t mutexattr;
10 };
11 
12 int main(void)
13 {
14     int fd, i;
15     struct mt *mm;
16     pid_t pid;
17 
18     fd = open("mt_test", O_CREAT | O_RDWR, 0777);
19     ftruncate(fd, sizeof(*mm));
20     mm = mmap(NULL, sizeof(*mm), PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
21     close(fd);
22     unlink("mt_test");
23     //mm = mmap(NULL, sizeof(*mm), PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANON, -1, 0);
24     memset(mm, 0, sizeof(*mm));
25     pthread_mutexattr_init(&mm->mutexattr);                                  //初始化mutex属性对象
26     pthread_mutexattr_setpshared(&mm->mutexattr, PTHREAD_PROCESS_SHARED);    //修改属性为进程间共享
27     pthread_mutex_init(&mm->mutex, &mm->mutexattr);                          //初始化一把mutex琐
28     pid = fork();
29     if (pid == 0) {
30         for (i = 0; i < 10; i++) {
31             pthread_mutex_lock(&mm->mutex);
32             (mm->num)++;
33             printf("-child----num++   %d\n", mm->num);
34             pthread_mutex_unlock(&mm->mutex);
35             sleep(1);
36         }
37     } else if (pid > 0) {
38         for ( i = 0; i < 10; i++) {
39             sleep(1);
40             pthread_mutex_lock(&mm->mutex);
41             mm->num += 2;
42             printf("-parent---num+=2  %d\n", mm->num);
43             pthread_mutex_unlock(&mm->mutex);
44         }
45         wait(NULL);
46     }
47 
48     pthread_mutexattr_destroy(&mm->mutexattr);          //销毁mutex属性对象
49     pthread_mutex_destroy(&mm->mutex);                //销毁mutex
50     munmap(mm,sizeof(*mm));                          //释放映射区
51 
52     return 0;
53 } 
进程间使用mutex来实现通信

(6)文件锁

    借助 fcntl函数来实现锁机制。 操作文件的进程没有获得锁时,可以打开,但无法执行read、write操作。

    fcntl函数: 获取、设置文件访问控制属性。

int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

    参2:

F_SETLK (struct flock *) 设置文件锁(trylock)
F_SETLKW (struct flock *) 设置文件锁(lock)W --> wait
F_GETLK (struct flock *) 获取文件锁

   参3:

struct flock {
    ...
    short l_type;     锁的类型:F_RDLCK 、F_WRLCK 、F_UNLCK
    short l_whence;   偏移位置:SEEK_SET、SEEK_CUR、SEEK_END
    off_t l_start;    起始偏移:1000
    off_t l_len;      长度:0表示整个文件加锁
    pid_t l_pid;      持有该锁的进程ID:(F_GETLK only)
    ...
};

    进程间文件锁示例:

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <unistd.h>
 3 #include <sys/types.h>
 4 #include <sys/stat.h>
 5 #include <fcntl.h>
 6 #include <stdlib.h>
 7 
 8 #define __FILE_NAME__ "/opt/linuxC/09-linux-day09/temp.lock"
 9 
10 int main()
11 {
12     int fd = open(__FILE_NAME__, O_RDWR|O_CREAT, 0666);
13     if (fd < 0)
14     {
15         perror("open err:");
16         return -1;
17     }
18 
19     struct flock lk;
20     lk.l_type = F_WRLCK;
21     lk.l_whence = SEEK_SET;
22     lk.l_start = 0;
23     lk.l_len = 0;
24 
25     if (fcntl(fd, F_SETLK, &lk) < 0)
26     {
27         perror("get lock err:");
28         exit(1);
29     }
30     //核心逻辑
31     while(1)
32     {
33         printf("I am alive!\n");
34         sleep(1);
35     }
36     return 0;
37 }
进程间文件锁

    依然遵循“读共享、写独占”特性。但!如若进程不加锁直接操作文件,依然可访问成功,但数据势必会出现混乱。

  【思考】:多线程中,可以使用文件锁吗?

    多线程间共享文件描述符,而给文件加锁,是通过修改文件描述符所指向的文件结构体中的成员变量来实现的。因此,多线程中无法使用文件锁。

posted @ 2019-05-14 12:18  pointerC++  阅读(1698)  评论(0编辑  收藏  举报