Linux C 多线程编程之互斥锁与条件变量实例详解
> Linux C 多线程编程之互斥锁与条件变量实例详解     2018-11-15

一、互斥锁

互斥量从本色上说就是一把锁, 提供对于同享资源的维护访问。

1. 初始化:

在Linux下, 线程的互斥量数据类型是pthread_mutex_t. 在使用前, 要对于它进行初始化:

对于于静态分配的互斥量, 可以把它设置为PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER, 或者者调用pthread_mutex_init.

对于于动态分配的互斥量, 在申请内存(malloc)以后, 通过pthread_mutex_init进行初始化, 并且在释放内存(free)前需要调用pthread_mutex_destroy.

原型:

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restric attr);

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

头文件:

返回值: 胜利则返回0, 出错则返回过错编号.

说明: 如果使用默许的属性初始化互斥量, 只需把attr设为NULL. 其他值在以后讲授。

2. 互斥操作:

对于同享资源的访问, 要对于互斥量进行加锁, 如果互斥量已经经上了锁, 调用线程会梗阻, 直到互斥量被解锁. 在完成为了对于同享资源的访问后, 要对于互斥量进行解锁。

首先说一下加锁函数:

头文件:

原型:

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

返回值: 胜利则返回0, 出错则返回过错编号.

说明: 具体说一下trylock函数, 这个函数是非梗阻调用模式, 也就是说, 如果互斥量没被锁住, trylock函数将把互斥量加锁, 并取得对于同享资源的访问权限; 如果互斥量被锁住了, trylock函数将不会梗阻等待而直接返回EBUSY, 表示同享资源处于忙状况。

再说一下解所函数:

头文件:

原型:

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

返回值: 胜利则返回0, 出错则返回过错编号.

3. 逝世锁:

逝世锁主要发生在有多个依赖锁存在时, 会在一个线程试图以与另外一个线程相反顺序锁住互斥量时发生. 如何避免逝世锁是使用互斥量应当格外注意的东西。

总体来说, 有几个不成文的基本原则:

对于同享资源操作前必定要取得锁。

完成操作以后必定要释放锁。

尽可能短时间地占用锁。

如果有多锁, 如取得顺序是ABC连环扣, 释放顺序也应当是ABC。

线程过错返回时应当释放它所取得的锁。

下面给个测试小程序进一步了解互斥,mutex互斥信号量锁住的不是一个变量,而是梗阻住一段程序。如果对于一个mutex变量testlock, 履行了第一次pthread_mutex_lock(testlock)以后,在unlock(testlock)之前的这段时间内,如果有其他线程也履行到了pthread_mutex_lock(testlock),这个线程就会梗阻住,直到之前的线程unlock以后才能履行,由此,实现同步,也就达到维护临界区资源的目的。

#

include

#include

static pthread_mutex_t testlock;

pthread_t test_thread;

void *test()

{

pthread_mutex_lock(&testlock);

printf("thread Test() \n");

pthread_mutex_unlock(&testlock);

}

int main()

{

pthread_mutex_init(&testlock, NULL);

pthread_mutex_lock(&testlock);

printf("Main lock \n");

pthread_create(&test_thread, NULL, test, NULL);

sleep(1); //更为显然的观察到是否履行了创建线程的互斥锁

printf("Main unlock \n");

pthread_mutex_unlock(&testlock);

sleep(1);

pthread_join(test_thread,NULL);

pthread_mutex_destroy(&testlock);

return 0;

}

make

gcc -D_REENTRANT -lpthread -o test test.c

结果:

Main lock

Main unlock

thread Test()

二、条件变量

这里主要说说 pthread_cond_wait()的用法,在下面有说明。

条件变量是应用线程间同享的全局变量进行同步的一种机制,主要包含两个动作:一个线程等待"条件变量的条件成立"而挂起;另外一个线程使"条件成立"(给出条件成立信号)。为了避免竞争,条件变量的使用总是和一个互斥锁结合在一起。

1. 创建和注销

条件变量和互斥锁同样,都有静态动态两种创建方式,静态方式使用PTHREAD_COND_INITIALIZER常量,以下:

pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER

动态方式调用pthread_cond_init()函数,API定义以下:

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr)

虽然POSIX标准中为条件变量定义了属性,但在LinuxThreads中没有实现,因而cond_attr值通常为NULL,且被忽略。

注销一个条件变量需要调用pthread_cond_destroy(),只有在没有线程在该条件变量上等待的时候才能注销这个条件变量,否则返回EBUSY。由于Linux实现的条件变量没有分配甚么资源,所以注销动作只包含检查是否有等待线程。API定义以下:

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond)

2. 等待和激起

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)

等待条件有两种方式:无条件等待pthread_cond_wait()和计时等待pthread_cond_timedwait(),其中计时等待方式如果在给定时刻前条件没有知足,则返回ETIMEOUT,结束等待,其中abstime以与time()系统调用相同意义的绝对于时间形式泛起,0表示格林尼治时间1970年1月1日0时0分0秒。

无论哪一种等待方式,都必须和一个互斥锁配合,以避免多个线程同时请求pthread_cond_wait()(或者pthread_cond_timedwait(),下同)的竞争条件(Race Condition)。mutex互斥锁必须是普通锁(PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP)或者者适应锁(PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP),且在调用pthread_cond_wait()前必须由本线程加锁(pthread_mutex_lock()),而在更新条件等待队列之前,mutex维持锁定状况,并在线程挂起进入等待前解锁。在条件知足从而离开pthread_cond_wait()之前,mutex将被重新加锁,以与进入pthread_cond_wait()前的加锁动作对于应。 履行pthread_cond_wait()时自动解锁互斥量(如同履行了 pthread_unlock_mutex),并等待条件变量触发。这时候线程挂起,不占用 CPU 时间,直到条件变量被触发。

因而,全过程可以描写为:

(1)pthread_mutex_lock()上锁,

(2)pthread_cond_wait()等待,等待过程分解为为:解锁--条件知足--加锁

(3)pthread_mutex_unlock()解锁。

激起条件有两种形式,pthread_cond_signal()激活一个等待该条件的线程,存在多个等待线程时按入队顺序激活其中一个;而pthread_cond_broadcast()则激活所有等待线程。 二者 如果没有等待的线程,则甚么也不做。

下面一位童鞋问的问题解释了上面的说明:

当pthread_cond_t调用pthread_cond_wait进入等待状况时,pthread_mutex_t互斥信号无效了.

示例代码以下:

//多线程同步--条件锁(至关与windows的事件)测试

//要先让pthread_cond_wait进入等待信号状况,才能调用pthread_cond_signal发送信号,才有效.

//不能让pthread_cond_signal在pthread_cond_wait前面履行

#include

#include//多线程所用头文件

#include//信号量使用头文件

pthread_cond_t g_cond /*=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER*/; //声名条锁,并用宏进行初始化

pthread_mutex_t g_mutex ;

//线程履行函数

void threadFun1(void)

{

int i;

pthread_mutex_lock(&g_mutex); //1

pthread_cond_wait(&g_cond,&g_mutex); //如g_cond无信号,则梗阻

for( i = 0;i < 2; i++ ){

printf("thread threadFun1.\n");

sleep(1);

}

pthread_cond_signal(&g_cond);

pthread_mutex_unlock(&g_mutex);

}

int main(void)

{

pthread_t id1; //线程的标识符

pthread_t id2;

pthread_cond_init(&g_cond,NULL); //也可以程序里面初始化

pthread_mutex_init(&g_mutex,NULL); //互斥变量初始化

int i,ret;

ret = pthread_create(&id1,NULL,(void *)threadFun1, NULL);

if ( ret!=0 ) { //不为0说明线程创建失败

printf ("Create pthread1 error!\n");

exit (1);

}

sleep(5); //等待子线程先开始

pthread_mutex_lock(&g_mutex); //2

pthread_cond_signal(&g_cond); //给个开始信号,注意这里要先等子线程进入等待状况在发信号,否则无效

pthread_mutex_unlock(&g_mutex);

pthread_join(id1,NULL);

pthread_cond_destroy(&g_cond); //释放

pthread_mutex_destroy(&g_mutex); //释放

return 0;

}

大家请看红色彩的1和2.

明明是1先锁了互斥变量,但代码履行到2还是同样可以锁定.

为何会这样呢????/

pthread_cond_wait()甚么情况才会接锁,继续跑下去啊...现在来看一段典型的应用:看注释便可。

问题解释:当程序进入pthread_cond_wait等待后,将会把g_mutex进行解锁,当离开pthread_cond_wait之前,g_mutex会重新加锁。所以在main中的g_mutex会被加锁。 呵呵。。。

现在来看一段典型的应用:看注释便可。

#include

#include

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) {

pthread_mutex_lock(&mtx); //这个mutex主要是用来保证pthread_cond_wait的并发性

while (head == NULL) { //这个while要特别说明一下,单个pthread_cond_wait功能很完美,为什么这里要有一个while (head == NULL)呢?由于pthread_cond_wait里的线程可能会被意外唤醒,如果这个时候head != NULL,则不是咱们想要的情况。这个时候,应当让线程继续进入pthread_cond_wait

pthread_cond_wait(&cond, &mtx); // pthread_cond_wait会先消除之前的pthread_mutex_lock锁定的mtx,然后梗阻在等待对于列里休眠,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,该过程会先锁定先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*/

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#define min(a,b) ((a) < (b) ? (a) : (b))

#define max(a,b) ((a) > (b) ? (a) : (b))

#define MAXNITEMS 1000000

#define MAXNTHREADS 100

int nitems; /* read-only by producer and consumer */

struct {

pthread_mutex_t mutex;

int buff[MAXNITEMS];

int nput;

int nval;

} shared = { PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER };

void *produce(void *), *consume(void *);

/* include main */

int

main(int argc, char **argv)

{

int i, nthreads, count[MAXNTHREADS];

pthread_t tid_produce[MAXNTHREADS], tid_consume;

if (argc != 3) {

printf("usage: prodcons3 <#items> <#threads>\n");

return -1;

}

nitems = min(atoi(argv[1]), MAXNITEMS);

nthreads = min(atoi(argv[2]), MAXNTHREADS);

/* 4create all producers and one consumer */

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);

/* 4wait for all producers and the consumer */

for (i = 0; i < nthreads; i++) {

pthread_join(tid_produce[i], NULL);

printf("count[%d] = %d\n", i, count[i]);

}

pthread_join(tid_consume, NULL);

exit(0);

}

/* end main */

void *

produce(void *arg)

{

for ( ; ; ) {

pthread_mutex_lock(&shared.mutex);

if (shared.nput >= nitems) {

pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);

return(NULL); /* array is full, we"re done */

}

shared.buff[shared.nput] = shared.nval;

shared.nput++;

shared.nval++;

pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);

*((int *) arg) += 1;

}

}

/* include consume */

void

consume_wait(int i)

{

for ( ; ; ) {

pthread_mutex_lock(&shared.mutex);

if (i < shared.nput) {

pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);

return; /* an item is ready */

}

pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);

}

}

void *

consume(void *arg)

{

int i;

for (i = 0; i < nitems; i++) {

consume_wait(i);

if (shared.buff[i] != i)

printf("buff[%d] = %d\n", i, shared.buff[i]);

}

return(NULL);

}

 

© Copyright 吾爱微电子 | 琥珀川