linux线程间同步(1)互斥锁与条件变量

线程的最大特点是资源的共享性，但资源共享中的同步问题是多线程编程的难点。linux下提供了多种方式来处理线程同步，最常用的是互斥锁、条件变量和信号量以及读写锁。

互斥锁(mutex)

互斥锁，是一种信号量，常用来防止两个进程或线程在同一时刻访问相同的共享资源。可以保证以下三点：

原子性：把一个互斥量锁定为一个原子操作，这意味着操作系统(或pthread函数库)保证了如果一个线程锁定了一个互斥量，没有其他线程在同一时间可以成功锁定这个互斥量。
唯一性：如果一个线程锁定了一个互斥量，在它解除锁定之前，没有其他线程可以锁定这个互斥量。
非繁忙等待：如果一个线程已经锁定了一个互斥量，第二个线程又试图去锁定这个互斥量，则第二个线程将被挂起(不占用任何cpu资源)，直到第一个线程解除对这个互斥量的锁定为止，第二个线程则被唤醒并继续执行，同时锁定这个互斥量。

从以上三点，我们看出可以用互斥量来保证对变量(关键的代码段)的排他性访问。

互斥锁常用函数

#include <pthread.h>//初始化互斥锁
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
//互斥锁静态赋值
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;//阻塞加锁
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
//非阻塞加锁,成功则返回0,否则返回EBUSY
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
//解锁
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);//销毁互斥锁
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

如果要正确的使用pthread_mutex_lock与pthread_mutex_unlock，请参考pthread_cleanup_push和pthread_cleanup_pop宏，它能够在线程被cancel的时候正确的释放mutex！

互斥锁属性

#include <pthread.h>int pthread_mutexattr_destroy(pthread_mutexattr_t *attr);
int pthread_mutexattr_init(pthread_mutexattr_t *attr);//锁的范围:PTHREAD_PROCESS_PRIVATE(进程内),PTHREAD_PROCESS_SHARED(进程间)
int pthread_mutexattr_getpshared(const pthread_mutexattr_t *restrict attr, int *restrict pshared);
int pthread_mutexattr_setpshared(pthread_mutexattr_t *attr,int pshared);//锁的类型
int pthread_mutexattr_gettype(const pthread_mutexattr_t *restrict attr,int *restrict type);
int pthread_mutexattr_settype(pthread_mutexattr_t *attr, int type);int pthread_mutexattr_getprotocol(const pthread_mutexattr_t *restrict attr, int *restrict protocol);
int pthread_mutexattr_setprotocol(pthread_mutexattr_t *attr,int protocol);int pthread_mutexattr_getprioceiling(const pthread_mutexattr_t *restrict attr, int *restrict prioceiling);
int pthread_mutexattr_setprioceiling(pthread_mutexattr_t *attr,int prioceiling);

说明：pthread库不是Linux系统默认的库，连接时需要使用静态库libpthread.a，所以在使用pthread_create()创建线程，以及调用pthread_atfork()函数建立fork处理程序时，需要链接该库。在编译中要加 -lpthread参数。

条件变量(cond)

利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制。条件变量上的基本操作有：触发条件(当条件变为 true 时)；等待条件，挂起线程直到其他线程触发条件。

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond,pthread_condattr_t *cond_attr);int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex);int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex *mutex,const timespec *abstime);int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond); //解除所有线程的阻塞

使用说明:

动态初始化调用pthread_cond_init()或者pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIER静态初始化;属性置为NULL
pthread_cond_wait与pthread_cond_timedwait,在使用前应用程序必须执行了加锁互斥量，两函数在调用时自动解锁互斥量，等待条件互斥量触发。这时线程挂起，不占用CPU，前者直到条件变量被触发，后者等待条件变量被触发或者超时(返回ETIMEOUT)。函数返回前，自动重新对互斥量自动加锁。
互斥量的解锁和在条件变量上挂起都是自动进行的。因此，在条件变量被触发前，如果所有的线程都要对互斥量加锁，这种机制可保证在线程加锁互斥量和进入等待条件变量期间，条件变量不被触发。条件变量要和互斥量相联结，以避免出现条件竞争— —个线程预备等待一个条件变量，当它在真正进入等待之前，另一个线程恰好触发了该条件(条件满足信号有可能在测试条件和调用pthread_cond_wait函数(block)之间被发出，从而造成无限制的等待)。
pthread_cond_destroy 销毁一个条件变量，释放它拥有的资源。进入 pthread_cond_destroy 之前，必须没有在该条件变量上等待的线程,否则返回EBUSY
条件变量函数不是异步信号安全的，不应当在信号处理程序中进行调用。特别要注意，如果在信号处理程序中调用 pthread_cond_signal 或 pthread_cond_boardcast 函数，可能导致调用线程死锁。pthread_cond_signal与pthread_cond_broadcast无需考虑调用线程是否是mutex的拥有者，也就是说，可以在lock与unlock以外的区域调用。如果我们对调用行为不关心，那么请在lock区域之外调用吧。

代码实例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>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;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){//这个mutex主要是用来保证pthread_cond_wait的并发性pthread_mutex_lock(&mtx);while (head == NULL){//这个while要特别说明一下，单个pthread_cond_wait功能很完善，为何//这里要有一个while (head == NULL)呢？因为pthread_cond_wait里的线//程可能会被意外唤醒，如果这个时候head != NULL，则不是我们想要的情况。//这个时候，应该让线程继续进入pthread_cond_wait// pthread_cond_wait会先解除之前的pthread_mutex_lock锁定的mtx，//然后阻塞在等待对列里休眠，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，该进程会先锁定先pthread_mutex_lock(&mtx);，再读取资源//用这个流程是比较清楚的pthread_cond_wait(&cond, &mtx);p = head;head = head->n_next;printf("Got %d from front of queue/n", p->n_number);free(p);}pthread_mutex_unlock(&mtx); //临界区数据操作完毕，释放互斥锁}pthread_cleanup_pop(0);return 0;
}int main(int argc, char *argv[])
{pthread_t tid;int i;struct node *p;//子线程会一直等待资源，类似生产者和消费者，但是这里的消费者可以是多个消费者，而//不仅仅支持普通的单个消费者，这个模型虽然简单，但是很强大pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);sleep(1);for (i = 0; i < 10; i++){p = (struct node*)malloc(sizeof(struct node));p->n_number = i;pthread_mutex_lock(&mtx); //需要操作head这个临界资源，先加锁，p->n_next = head;head = p;pthread_cond_signal(&cond);pthread_mutex_unlock(&mtx); //解锁sleep(1);}printf("thread 1 wanna end the line.So cancel thread 2./n");//关于pthread_cancel，有一点额外的说明，它是从外部终止子线程，子线程会在最近的取消点，退出//线程，而在我们的代码里，最近的取消点肯定就是pthread_cond_wait()了。pthread_cancel(tid);pthread_join(tid, NULL);return 0;
}

线程取消点

一般情况下,线程在其主体函数退出的时候会自动终止,但同时也可以因为接收到另一个线程发来的终止(取消)请求而强制终止。

代码实例

#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>#define THREAD_MAX 4pthread_mutex_t mutex;
pthread_t thread[THREAD_MAX];static int tries;
static int started;void print_it(int *arg)
{pthread_t tid;tid = pthread_self();printf("Thread %lx was canceled on its %d try.\n",tid,*arg);
}void *Search_Num(int arg)
{pthread_t tid;int num;int k=0,h=0,j;int ntries;tid = pthread_self();srand(arg);num = rand()&0xFFFFFF;printf("thread num %lx\n",tid);ntries = 0;//默认设置//pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_ENABLE,NULL);//pthread_setcanceltype(PTHREAD_CANCEL_DEFERRED,NULL);pthread_cleanup_push((void *)print_it,(void *)&ntries);while(1) {num = (num+1)&0xffffff;ntries++;if(arg == num){//只允许一个线程操作此处while(pthread_mutex_trylock(&mutex) == EBUSY) { //一个线程操作后其余线程进入次循环挂起，等待pthread_cancel函数发送cancel信号终止线程k++;if(k == 100) {printf("----------2busy2-----------\n");}pthread_testcancel();}tries = ntries;//pthread_mutex_unlock(&mutex);   //如果加上这句话，将会有好几个线程找到主函数中设定的值pidprintf("Thread %lx found the number!\n",tid);for(j = 0;j<THREAD_MAX;j++) {if(thread[j] != tid) {pthread_cancel(thread[j]);}}break;}if (ntries % 100 == 0) {h++;/*线程阻塞，其他线程争夺资源，或者是等待pthread_cancel函数发送cancel信号终止线程*/pthread_testcancel();/*这是为了弄明白pthread_testcancel函数的作用而设置的代码段*/if(h == 10000){h = 0;printf("----------thread num %lx-------------\n",tid);}}}pthread_cleanup_pop(0);return (void *)0;
}int main()
{int i,pid;pid = getpid(); //设置要查找的数pthread_mutex_init(&mutex,NULL);printf("Search the num of %d\n",pid);for (started = 0; started < THREAD_MAX; started++) {pthread_create(&thread[started],NULL,(void *)Search_Num,(void *)pid);}for (i = 0; i < THREAD_MAX; i++) {pthread_join(thread[i],NULL);}printf("It took %d tries ot find the number!\n",tries);return 0;
}

参考：

多线程编程之线程取消