并发编程--条件量与死锁及其解决方案

并发编程–条件量与死锁及其解决方案

1.条件量

1.1条件量基本概念

在许多场合中，程序的执行通常需要满足一定的条件，条件不成熟的时候，任务应该进入睡眠阻塞等待，条件成熟时应该可以被快速唤醒。另外，在并发程序中，会其他任务同时访问该条件，因此任何时候都必须以互斥的方式对条件进行访问。条件量就是专门解决上述场景的逻辑机制。

注意，上述表述中，条件和条件量是两个不同的东西，所谓条件就是指程序要继续运行所需要的前提条件，比如文件是否读完、内存是否清空等具体的场景限定，而条件量（即pthread_cond_t）是本节课件要讨论的一种同步互斥变量，专用于解决上述逻辑场景。

条件量的逻辑

说明：

1. 在进行条件判断前，先加锁（防止其他任务并发访问）
2. 成功加锁后，判断条件是否允许
   • 若条件允许，则直接操作临界资源，然后释放锁
   • 若条件不允许，则进入条件量的等待队列中睡眠，并同时释放锁
3. 在条件量中睡眠的任务，可以被其他任务唤醒，唤醒时重新判定条件是否允许程序继续执行，当然也是必须先加锁。

1.2条件量的使用

条件量一般要跟互斥锁（或二值信号量）配套使用，互斥锁提供锁住临界资源的功能，条件量提供阻塞睡眠和唤醒的功能。

一般流程示例
以取款为例，假设有多个任务可同时访问存款余额 balance，其中某个任务希望从中取出 ￥100 元，并且要求满足如下逻辑：

• 如果余额中有大于等于100元，则立即取出
• 如果余额小于100元，则进入睡眠等待
• 当有别的任务修改了余额时可被唤醒，并继续判定是否可取款

pthread_mutex_t m;  // 互斥锁
pthread_cond_t  v;  // 条件量// 银行余额（全局变量，意味着有别的进程可随时访问）
extern int balance;int main()
{// 1，初始化pthread_mutex_init(&m, NULL);pthread_cond_init(&v, NULL);// 2，对m加锁pthread_mutex_lock(&m);// 2，当条件不允许时，进入条件量中睡眠//    进入睡眠时，会自动对m解锁//    退出睡眠时，会自动对m加锁while(balance < 100)pthread_cond_wait(&v, &m);// 3，取款balance -= 100;// 4，对m解锁pthread_mutex_unlock(&m);
}

其他任务，可以在适当的时候，通过如下接口来唤醒处于睡眠态的任务：

// 单个唤醒，唤醒第一个进入条件量中睡眠的任务
pthread_cond_signal(&v);// 集体唤醒，唤醒进入条件量中睡眠的所有任务
pthread_cond_broadcast(&v);

2. 死锁

死锁指的是由于某种逻辑问题，导致等待一把永远无法获得的锁的困境。比如最简单的是同一线程，连续对同一锁资源进行加锁，就进入了死锁。

最简单的死锁示例

pthread_mutex_t m;int main()
{pthread_mutex_init(&m, NULL);// 正常加锁pthread_mutex_lock(&m);// 未释放锁前重复加锁，进入死锁状态pthread_mutex_lock(&m);// 下面的代码永远无法执行......
}

以上死锁的例子，可以通过仔细检查代码得以避免，但在现实场景中，有些产生死锁的情况是无法避免的，比如如下情形：

一条线程持有一把锁，期间不能屏蔽取消指令
然后又恰巧被取消指令强制终止，此时死锁的产生变得不可避免。

产生死锁示例

void *routine(void *arg)
{thread_pool *pool = (thread_pool *)arg;struct task *p;while(1){// 操作临界资源之前，加锁pthread_mutex_lock(&pool->lock);// 条件不允许时，进入条件量等待while(pool->waiting_tasks == 0 && !pool->shutdown)pthread_cond_wait(&pool->cond, &pool->lock);// 条件允许时，操作临界资源p = pool->task_list->next;pool->task_list->next = p->next;pool->waiting_tasks--;// ！！！ 注意 ！！！// 线程若恰好在此处被意外终止，将导致死锁// 解锁pthread_mutex_unlock(&pool->lock);// 其他操作pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_DISABLE, NULL);(p->do_task)(p->arg);pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_ENABLE, NULL);free(p);}pthread_exit(NULL);
}

上述代码中，若线程在中间被取消，则导致死锁。对于这种情况，一个可行的解决办法是：

1. 提前准备一个解锁处理函数，并将其压入线程专用的函数栈中备用。
2. 准备操作临界资源，加锁
3. 操作临界资源
   • 重点：
   • 若线程在此期间意外终止，则会自动调用处理函数解锁
4. 解锁
5. 在函数栈中弹出处理函数。

说明：
上述做法实际上相当于现实生活中的立遗嘱，因为人去世之后是无法再做任何事情的，因此为了防止死亡在关键阶段意外到来，可以在提前立遗嘱，万一不幸遇到该情况就有了预案（处理函数），但如果并未发生此种情形，那么就将遗嘱作废（弹出处理函数且不执行）即可。

根据以上思路，可将上述代码改良为如下代码：

// 意外处理函数：
// 自动解锁
void handler(void *arg)
{pthread_mutex_unlock((pthread_mutex_t *)arg);
}void *routine(void *arg)
{thread_pool *pool = (thread_pool *)arg;struct task *p;while(1){/*** push a cleanup functon handler(), make sure that** the calling thread will release the mutex properly** even if it is cancelled during holding the mutex.**** NOTE:** pthread_cleanup_push() is a macro which includes a** loop in it, so if the specified field of codes that ** paired within pthread_cleanup_push() and pthread_** cleanup_pop() use 'break' may NOT break out of the** truely loop but break out of these two macros.** see line 56 below.*///================================================//pthread_cleanup_push(handler, (void *)&pool->lock); // 提前准备好意外处理函数pthread_mutex_lock(&pool->lock);//================================================//// 1, no task, and is NOT shutting down, then waitwhile(pool->waiting_tasks == 0 && !pool->shutdown)pthread_cond_wait(&pool->cond, &pool->lock);// 2, no task, and is shutting down, then exitif(pool->waiting_tasks == 0 && pool->shutdown == true){pthread_mutex_unlock(&pool->lock);pthread_exit(NULL); // CANNOT use 'break';}// 3, have some task, then consume itp = pool->task_list->next;pool->task_list->next = p->next;pool->waiting_tasks--;//================================================//pthread_mutex_unlock(&pool->lock); pthread_cleanup_pop(0); // 弹出处理函数且不执行//================================================//pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_DISABLE, NULL);(p->do_task)(p->arg);pthread_setcancelstate(PTHREAD_CANCEL_ENABLE, NULL);free(p);}pthread_exit(NULL);
}

注意：

• pthread_cleanup_push() 用于将处理函数填入栈中，在线程意外终止后会被自动调用。
• pthread_cleanup_pop() 用于将栈中的处理函数弹出，若参数为0则意味着不执行，参数不为零则意味着执行该函数。
• pthread_cleanup_push() 和 pthread_cleanup_pop() 必须成对出现。