一、条件变量

条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制，主要包括两个动作：一个线程等待条件变量的条件成立而挂起；另一个线程使条件成立（给出条件成立的信号）。为了防止竞争，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

条件变量和互斥锁一样，都有静态、动态两种创建方式。
静态方式使用 PTHREAD_COND_INITIALIZER 常量，如下：

 pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER;

动态方式调用 pthread_cond_init 函数，API 定义如下：

 int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr);

尽管 POSIX 标准中为条件变量定义了属性，但在 Linux Threads 中没有实现，因此 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 函数，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 。因为 Linux 实现的条件变量没有分配什么资源，所以注销动作只包括检查是否有等待线程。
API 定义如下：

 int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

2.等待和激发

等待条件有两种方式：无条件等待 pthread_cond_wait 函数和计时等待 pthread_cond_timedwait 函数。

 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);

线程解开 mutex 指向的锁并被条件变量 cond 阻塞。其中计时等待方式表示经历 abstime 段时间后，即使条件变量不满足，阻塞也被解除。无论哪种等待方式，都必须和一个互斥锁配合，以防止多个线程同时请求 pthread_cond_wait 函数（或 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），且在调用 pthread_cond_wait 函数前必须由本线程加锁（pthread_mutex_lock()），而在更新条件等待队列以前，mutex 保持锁定状态，并在线程挂起进入等待前解锁。
在条件满足从而离开 pthread_cond_wait 函数之前，mutex 将被重新加锁，以与进入 pthread_cond_wait 函数前的加锁动作对应，也就是说在做 pthread_cond_wait 之前，往往要用 pthread_mutex_lock 进行加锁，而调用 pthread_cond_wait 函数会将锁解开，然后将线程挂起阻塞，直到条件被 pthread_cond_signal 激发，该函数内部又会将锁状态恢复为锁定状态，最后再用 pthread_mutex_unlock 进行解锁。

激发条件有两种形式：
pthread_cond_signal 函数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 函数则激活所有等待线程。

3.其他

pthread_cond_wait 函数和 pthread_cond_timedwait 函数都被实现为取消点，也就是说如果 pthread_cond_wait 函数被取消，则退出阻塞，然后将锁状态恢复，此时当前线程才会终止。
即互斥锁又恢复锁定状态，然而当前线程已经被取消掉，那么这个互斥锁就不会被解开了，此时锁得不到释放，就会造成死锁，因而需要定义退出回调函数来为其解锁。

条件变量机制和互斥锁一样，不能用于信号处理中，在信号处理函数中调用 pthread_cond_signal 函数或者 pthread_cond_broadcast 函数很可能引起死锁。

二、信号灯

信号灯与互斥锁和条件变量的主要不同在于“灯”的概念，灯亮则意味着资源可用（即可以执行加锁操作），灯灭则意味着不可用（即可以执行解锁操作）。如果说后两种同步方式侧重于“等待”操作，即资源不可用的话，信号灯机制则侧重于点灯，即告知资源可用；没有等待线程的解锁或激发条件都是没有意义的，而没有等待灯亮的线程的点灯操作则有效，且能保持灯亮状态。当然，这样的操作原语也意味着更多的开销。
信号灯的应用除了灯亮/灯灭这种二元灯以外，也可以采用大于 1 的灯数，以表示资源数大于 1 ，这时可以称之为多元灯。

1.创建和注销

POSIX 信号灯标准定义了有名信号灯和无名信号灯两种，但 LinuxThreads 的实现仅有无名灯，同时有名灯除了总是可用于多进程之间以外，在使用上与无名灯并没有太大的区别，因此下面仅就无名灯进行讨论。
创建信号灯的 API 如下：

 #include <semaphore.h>int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);  //通常 pshared 为 0，表示线程间

pshared 表示是否为多进程共享而不仅仅是用于一个进程之间的多线程共享；
value 为信号灯初值。
LinuxThreads 没有实现多进程共享信号灯，因此所有非 0 值的 pshared 输入都将使 sem_init 函数返回 -1，且置 errno 为 ENOSYS。初始化好的信号灯由 sem 变量表征，用于以下点灯、灭灯操作。

注销信号灯的 API 如下：

 int sem_destroy(sem_t *sem);

被注销的信号灯 sem 要求已没有线程在等待该信号灯，否则返回 -1，且置 errno 为 EBUSY。除此之外，LinuxThreads 的信号灯注销函数不做其他动作。

2.点灯和灭灯

点灯：

 int sem_post(sem_t *sem);   //相当于解锁

点灯操作将信号灯值原子的加 1，表示增加一个可访问的资源。只有信号灯值大于 0 才能访问公共资源，主要用来增加信号量的值。当有线程阻塞在这个信号量上时，调用这个函数会使其中的一个线程不再阻塞。

灭灯：

 int sem_wait(sem_t *sem);   // 相当于加锁int sem_trywait(sem_t *sem);

sem_wait 函数为灭灯操作（等待灯亮操作），主要被用来阻塞当前线程直到信号量 sem 的值大于 0，解除阻塞后将 sem 的值减 1，表明公共资源经使用后减少。等待灯亮（信号灯值大于 0），然后将信号灯原子的减 1 ，并返回。
sem_trywait 函数为 sem_wait 函数的非阻塞版，如果信号灯计数大于 0，则原子的减 1 并返回 0，否则立即返回 -1，errno 置为 EAGAIN。

3.获取灯值

获取灯值：

 int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);

读取 sem 中的灯计数，存于 *sval 中，并返回 0。

4.其他

sem_wait 函数被实现为取消点，而且在支持原子“比较且交换”指令的体系结构上，sem_post 函数是唯一能用于异步信号处理函数的 POSIX 异步信号安全的 API。

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嵌入式Linux系统编程学习之三十线程的同步

文章目录

一、条件变量

1.创建和注销

2.等待和激发

3.其他

二、信号灯

1.创建和注销

2.点灯和灭灯

3.获取灯值

4.其他

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