Linux线程（五）

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Linux线程（五）
- 一、posix信号量
- 二：生产者消费者模型
- 三、读者写锁问题

一、posix信号量

1.相关概念：
posix信号量和system V信号量作用一样，都是用于同步操作，达到无冲突访问共享资源的目的。但Posix可以用于线程间同步
2.sem_init函数

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value)

功能：初始化信号量
参数：

sem_t *sem：待初始化的信号量
int pshared：如果为0表示只能在当前进程内线程间共享；如果是非0，表示进程间共享
value：给信号量设的初始值

3.sem_destroy函数

int sem_destroy(sem_t *sem);

作用：销毁一个信号量
4.sem_post函数

int sem_post(sem_t *sem);

功能：发布信号量，表示资源使用完毕，可以归还资源了。将信号量的值 + 1
5.sem_wait函数

int sem_wait(sem_t *sem);

功能：等待信号量，会将信号量的值 — 1；

二：生产者消费者模型

上次生产者消费者模型是基于queue实现的，其空间是可以动态分配的，现在基于固定大小的环形队列重写这个代码

#include <iostream>
#include <vector>
#include <stdlib.h>
#include <semaphore.h>
#include <pthread.h>
#define NUM 16class RingQueue{private:std::vector<int> q;int cap;sem_t data_sem;sem_t space_sem;int consume_step;int product_step;
public:RingQueue(int _cap = NUM):q(_cap),cap(_cap){sem_init(&data_sem, 0, 0);sem_init(&space_sem, 0, cap);consume_step = 0;product_step = 0;} void PutData(const int &data){sem_wait(&space_sem); // Pq[consume_step] = data;consume_step++;consume_step %= cap;sem_post(&data_sem); //V}void GetData(int &data){sem_wait(&data_sem);data = q[product_step];product_step++;product_step %= cap;sem_post(&space_sem);} ~RingQueue(){sem_destroy(&data_sem);sem_destroy(&space_sem);}
};void *consumer(void *arg)
{RingQueue *rqp = (RingQueue*)arg;int data;for( ; ; ){rqp->GetData(data);std::cout << "Consume data done : " << data << std::endl;sleep(1);}
} //more faster
void *producter(void *arg)
{RingQueue *rqp = (RingQueue*)arg;srand((unsigned long)time(NULL));for( ; ; ){int data = rand() % 1024;rqp->PutData(data);std::cout << "Prodoct data done: " << data << std::endl;// sleep(1);}
} int main()
{RingQueue rq;pthread_t c,p;pthread_create(&c, NULL, consumer, (void*)&rq);pthread_create(&p, NULL, producter, (void*)&rq);pthread_join(c, NULL);pthread_join(p, NULL);return 0;
}

三、读者写锁问题

在编写多线程的时候，有一种情况是十分常见的。那就是，有些公共数据修改的机会比较少。相比较改写，它们读的机会反而高的多。
通常而言，在读的过程中，往往伴随着查找的操作，中间耗时很长。给这种代码段加锁，会极大地降低我们程序的效率。
那么有没有一种方法，可以专门处理这种多读少写的情况呢？有，那就是读写锁
1.pthread_rwlock_init函数

int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);

功能：初始化读写锁
参数1：初始化的读写锁
参数2:读写锁初始化时的属性。如果用默认属性，此处填NULL
2.pthread_rwlock_destory函数

int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock)

功能：销毁一个读写锁
如果在pthread_rwlock_destory之前就释放了读写锁占用的内存空间，那么分配给这个锁的资源就会丢失
备注（重点）：此函数只是反初始化读写锁变量，并没有释放内存空间，如果读写锁变量是通过malloc等函数申请的，那么需要在free掉读写锁变量之前调用pthread_rwlock_destory函数
3.pthread_rwlock_rdlock函数

int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

功能：在读模式下锁定读写锁
4.pthread_rwlock_wrlock函数

int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

功能：在写模式下锁定读写锁
5.pthread_rwlock_unlock函数

int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

不管以何种方式锁住读写锁，都可以用这个函数解锁
各种实现可能会对共享模式下可获取的读写锁的次数进行限制，所以需要检查pthread_rwlock_rdlock的返回值
即使pthread_rwlock_wrlock和pthread_rwlock_unlock有错误返回，而且从技术上来讲，在调用函数时应该总会检查错误返回，但是如果锁设计合理的话，就不需要检查它们。
错误返回值的定义只是针对不正确使用读写锁的情况(如未经初始化的锁)，或者试图获取已拥有的锁从而可能产生死锁的情况
但是还需要注意，有些特定的实现可能会定义另外的错误返回
6.设置读写锁优先

int pthread_rwlockattr_setkind_np(pthread_rwlockattr_t *attr, int pref);

pref 共有 3 种选择

 - PTHREAD_RWLOCK_PREFER_READER_NP (默认设置) 读者优先，可能会导致写者饥饿情况- PTHREAD_RWLOCK_PREFER_WRITER_NP 写者优先，目前有 BUG，导致表现行为和PTHREAD_RWLOCK_PREFER_READER_NP 一致- PTHREAD_RWLOCK_PREFER_WRITER_NONRECURSIVE_NP 写者优先，但写者不能递归加锁

测试代码：

#include <vector>
#include <sstream>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>volatile int ticket = 1000;
pthread_rwlock_t rwlock;
void * reader(void * arg)
{char *id = (char *)arg;while (1) {pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);if (ticket <= 0) {pthread_rwlock_unlock(&rwlock);break;}printf("%s: %d\n", id, ticket);pthread_rwlock_unlock(&rwlock);usleep(1);} return nullptr;
}void * writer(void * arg)
{char *id = (char *)arg;while (1) {pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);if (ticket <= 0) {pthread_rwlock_unlock(&rwlock);break;} printf("%s: %d\n", id, --ticket);pthread_rwlock_unlock(&rwlock);usleep(1);}return nullptr;
}struct ThreadAttr
{pthread_t tid;std::string id;
};std::string create_reader_id(std::size_t i)
{// 利用 ostringstream 进行 string 拼接std::ostringstream oss("thread reader ", std::ios_base::ate);
oss << i;return oss.str();
} std::string create_writer_id(std::size_t i)
{// 利用 ostringstream 进行 string 拼接std::ostringstream oss("thread writer ", std::ios_base::ate);oss << i;return oss.str();
}void init_readers(std::vector<ThreadAttr>& vec)
{for (std::size_t i = 0; i < vec.size(); ++i) {vec[i].id = create_reader_id(i);pthread_create(&vec[i].tid, nullptr, reader, (void *)vec[i].id.c_str());}
}void init_writers(std::vector<ThreadAttr>& vec)
{for (std::size_t i = 0; i < vec.size(); ++i) {vec[i].id = create_writer_id(i);pthread_create(&vec[i].tid, nullptr, writer, (void *)vec[i].id.c_str());}
} void join_threads(std::vector<ThreadAttr> const& vec)
{// 我们按创建的 逆序 来进行线程的回收for (std::vector<ThreadAttr>::const_reverse_iterator it = vec.rbegin(); it !=vec.rend(); ++it) {pthread_t const& tid = it->tid;pthread_join(tid, nullptr);}
}void init_rwlock()
{ #if 0 // 写优先pthread_rwlockattr_t attr;pthread_rwlockattr_init(&attr);pthread_rwlockattr_setkind_np(&attr, PTHREAD_RWLOCK_PREFER_WRITER_NONRECURSIVE_NP);pthread_rwlock_init(&rwlock, &attr);pthread_rwlockattr_destroy(&attr);#else // 读优先，会造成写饥饿pthread_rwlock_init(&rwlock, nullptr);#endif
} int main()
{// 测试效果不明显的情况下，可以加大 reader_nr// 但也不能太大，超过一定阈值后系统就调度不了主线程了const std::size_t reader_nr = 1000;const std::size_t writer_nr = 2;std::vector<ThreadAttr> readers(reader_nr);std::vector<ThreadAttr> writers(writer_nr);init_rwlock();init_readers(readers);init_writers(writers);join_threads(writers);join_threads(readers);pthread_rwlock_destroy(&rwlock);
}

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