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《Linux C编程实战》笔记:线程同步

这一节主要是解决共享资源的处理。操作系统里也讲过互斥、锁之类的概念。

互斥锁

互斥锁通过锁机制来实现线程同步,同一时刻只允许一个线程执行一个关键部分的代码

一下是操作互斥锁的函数,均声明在pthread.h中。

  1. pthread_mutex_init(初始化互斥锁)

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

    该函数用于初始化互斥锁,其中mutex是指向互斥锁的指针,attr是指向互斥锁属性的指针。如果不需要特殊属性,可以将attr参数设置为NULL

  2. pthread_mutex_destroy(销毁互斥锁)

    int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

    该函数用于销毁互斥锁,释放相关资源。在互斥锁使用完毕后,应该调用该函数来进行清理操作。函数成功执行时返回0.

  3. pthread_mutex_lock(加锁)

    int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

    该函数用于尝试获得互斥锁的所有权。如果互斥锁已经被其他线程占用,调用线程将被阻塞,直到互斥锁可用。

  4. pthread_mutex_unlock(解锁)

    int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

    该函数用于释放互斥锁(与加锁的必须是同一线程),允许其他线程获得该互斥锁的所有权。应该在对共享资源的访问完成后调用该函数。

  5. pthread_mutex_trylock(尝试加锁)

    int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

    该函数尝试获得互斥锁的所有权,但如果锁已经被其他线程占用,则不会阻塞,而是立即返回错误EBUSY。可以利用这个函数来实现非阻塞的加锁操作。

互斥锁的初始化可以用静态赋值法,将一个宏结构赋给mutex

pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

或者是用初始化函数,不过用之前还要先了解pthread_mutexattr_t怎么用。

    pthread_mutexattr_t mutexattr;pthread_mutexattr_init(&mutexattr);pthread_mutexattr_settype(&mutexattr,PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);

这样算是设定好了锁的属性。属性一般是以下几种

  1. PTHREAD_MUTEX_NORMAL

    • 普通互斥锁,不允许递归锁。对同一线程多次调用 pthread_mutex_lock 会导致死锁。
  2. PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE

    • 允许同一线程多次获得互斥锁,使用嵌套锁。线程每成功调用一次 pthread_mutex_lock,必须调用相同次数的 pthread_mutex_unlock 才能释放锁。
    • 如果是不同线程请求,则在解锁时重新竞争
  3. PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK

    • 提供错误检查,如果同一线程重复调用 pthread_mutex_lock,会返回错误EDEADLK。
  4. PTHREAD_MUTEX_DEFAULT

    • 默认类型,通常等同于 PTHREAD_MUTEX_NORMAL

注意:加锁时,不论哪种类型的锁,都不可能被两个不同的线程同时得到,其中一个必须等待解锁。在同一进程中的线程,如果加锁后没有解锁,则其他线程将无法再获得该锁。

示例代码

以下代码演示了互斥锁保护全局变量的用法

pthread_mutex_t number_mutex;
int globalnumber;
void write_globalnumber(){pthread_mutex_lock(&number_mutex);globalnumber++;pthread_mutex_unlock(&number_mutex);
}
int read_globalnumber(){int temp;pthread_mutex_lock(&number_mutex);temp=globalnumber;pthread_mutex_unlock(&number_mutex);return temp;
}

还是很好懂的,在读写之前上锁,操作完之后解锁。

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。 条件变量宏观上类似if语句,
符合条件就能执行某段程序,否则只能等待条件成立。

使用条件变量主要包括两个动作:一个等待使用资源的线程等待“条件变量被设置为真”;另一个线程在使用完资源后“设置条件为真”,这样就可以保证线程间的同步了。这样就存在一个关键问题,就是要保证条件变量能被正确的修改,条件变量要收到特殊的保护。实际使用中互斥锁扮演者这样的一个保护者的角色。Linux提供了一系列对条件变量操作的函数

  1. pthread_cond_init:

    int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr);

    该函数用于初始化条件变量。pthread_cond_t 是条件变量的类型,attr 是条件变量的属性,通常可以设置为 NULL 表示默认属性。

  2. pthread_cond_destroy:

    int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

    该函数用于销毁条件变量。在条件变量不再使用时调用,以释放相关资源。

  3. pthread_cond_wait:

    int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);

    这个函数使线程等待条件变量的信号。在调用这个函数之前,线程通常需要先获取一个互斥锁(mutex),然后在等待条件变量的时候会释放这个互斥锁。

  4. pthread_cond_timedwait:

    int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *abstime);

    类似于 pthread_cond_wait,但是它在指定的时间(abstime)之后超时返回。abstime 是一个绝对时间。

  5. pthread_cond_signal:

    int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

    该函数用于发送信号给一个正在等待条件变量的线程,唤醒其中一个。通常在某个条件变为真的时候调用。

  6. pthread_cond_broadcast:

    int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

    该函数用于发送信号给所有正在等待条件变量的线程,唤醒它们。通常在某个条件变为真的时候调用。

和互斥锁一样,条件变量的初始化也可以用静态赋值法

pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER;

还有一种方式自然是用初始化函数,一般attr都是空指针

pthread_cond_wait函数书房由mutex指向的互斥锁,同时使当前线程关于cond指向的条件变量阻塞,直到条件被信号唤醒。通常条件表达式在互斥锁的保护下求值,如果条件表达式为假,那么线程基于条件变量阻塞。当一个线程改变条件变量的值时,条件变量获得一个信号,使得等待条件变量的线程退出阻塞状态。

线程被条件变量阻塞后,可通过两个函数激活。

signal只激活一个等待的线程,存在多个的话按入队顺序激活;broadcast激活所有等待的线程

清除函数destory只有在没有线程等待该条件变量的时候才能清除,否则返回EBUSY

说了这么多,其实也不知道应该怎么用,看下面的代码

示例代码

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER;
void cleanup_handler(void *arg) {pthread_mutex_unlock((pthread_mutex_t *)arg);
}
void *thread1(void *arg){pthread_cleanup_push(cleanup_handler,&mutex);//这个在上一篇文章有讲过while (1){printf("thread1 is running\n");pthread_mutex_lock(&mutex);pthread_cond_wait(&cond,&mutex);printf("thread1 applied the condition\n");pthread_mutex_unlock(&mutex);sleep(4);}pthread_cleanup_pop(0);}
void *thread2(void *arg){while(1){printf("thread2 is running\n");pthread_mutex_lock(&mutex);pthread_cond_wait(&cond,&mutex);printf("thread2 applied the condition\n");pthread_mutex_unlock(&mutex);sleep(1);}
}
int main(){pthread_t tid1,tid2;printf("condition variable study!\n");pthread_mutex_init(&mutex,nullptr);pthread_cond_init(&cond,nullptr);pthread_create(&tid1,nullptr,thread1,nullptr);pthread_create(&tid2,nullptr,thread2,nullptr);do{pthread_cond_signal(&cond);}while (1);}

执行片段

这个具体是怎么执行的呢,首先线程1给mutex上锁然后执行pthread_cond_wait,这时候mutex就解锁了,同时线程1或阻塞,所以线程2先打印了applied这句话,然后cond会收到主线程发来的signal信号,这时候线程1就被唤醒了,它也继续执行。

其实最好来说,pthread_mutex_unlock不需要主动调用,因为wait函数本身就会解锁了,而且这样反而有可能会破互斥量的上锁情况。所以可以把unlock那两行注释掉。

clean的那段代码考虑的是上锁但是wait函数被取消的情况,这种情况下会一直上锁,所以让退出回调函数解锁,有备无患。

条件变量都是需要配合互斥量一起使用的,这样可以防止多个线程请求wait函数

还有一小节是关于异步信号的,不过书上就讲了几行,估计不太重要吧

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