在C语言中使用条件变量实现线程同步
互斥量、原子操作都是实现线程同步的方法,今日介绍使用条件变量来实现线程同步。在多线程应用中,当某个线程的执行依赖于另一个线程对数据的处理时,这个线程可能没有被阻塞,只是不断地检查某个条件是否成立了(这个条件就是另一个线程对数据处理的结果的指示器),这是一种“忙等待”的方式实现线程间的同步。在实践中应该避免使用,因为忙等待需要让线程反复检查某个条件是否为真,浪费大量宝贵的 CPU 资源在无用的活动上。使用条件变量既可以尽量减少处理器资源的浪费,又能够解决线程间数据依赖的问题。
C 标准库还提供了与条件变量相关的常用函数:
- cnd_signal:发送条件变量,唤醒阻塞在cnd_wait调用处的线程
- cnd_wait:阻塞线程,将线程加入等待队列,将会被cnd_signal唤醒
- cnd_broadcast:唤醒所有在等待某个条件变量的线程
- cnd_timedwait:带超时限制的cnd_wait
实例如下:
#include <threads.h>
#include <stdio.h>mtx_t mutex;// 互斥量
cnd_t cond; // 条件变量
int done = 0;
int run(void* arg){mtx_lock(&mutex);//加锁done = 1;cnd_signal(&cond);//发送条件信号mtx_unlock(&mutex);//解锁return thrd_success;
}int main(void){
#ifndef __STDC_NO_THREADS__mtx_init(&mutex,mtx_plain);//初始化互斥量cnd_init(&cond);//初始化条件变量thrd_t thread;thrd_create(&thread,run,NULL);//创建线程mtx_lock(&mutex);//加锁while(done == 0){cnd_wait(&cond,&mutex);//让当前线程进入等待队列,后续被唤醒后,互斥量会再次上锁} mtx_unlock(&mutex);//解锁printf("The value of done is %d.\n",done);mtx_destroy(&mutex); cnd_destroy(&cond); // 销毁条件变量
#endifreturn 0;
}
在上述程序中,在 main 线程中,调用了与条件变量相关的函数 cnd_wait。该函数在被调用时,需要当前线程获得一个互斥锁,并将其作为实参传递给它,该函数调用后锁会被释放。同时,所有执行到此处的线程都将被阻塞。
子线程会执行run方法,run方法里会对done加1,然后调用函数 cnd_signal发送条件信号,唤醒所有之前被阻塞在函数 cnd_wait 处的线程,来让它们中的一个可以继续运行。在我们的例子中,只有 main 函数对应的一个线程,所以此时,互斥量将被重新上锁,main 线程将继续执行接下来的指令。
这样一来,某个线程可以在完成了某件事情后,通知并唤醒等待线程,让其继续工作,完成接下来的任务。而在此过程中,不需要线程频繁查询标志量。CPU 资源也得到了更好的利用。在并发编程中,通过条件变量,可以进一步实现监视器、管程等工具和同步原语。它也能够很好地解决生产者 - 消费者问题。
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