linux线程基础篇----线程同步与互斥

linux线程基础----线程同步与互斥

一、同步的概念

　　1.同步概念

　　  所谓同步，即同时起步，协调一致。不同的对象，对“同步”的理解方式略有不同。如，设备同步，是指在两个设备

　　  之间规定一个共同的时间参考；数据库同步，是指让两个或多个数据库内容保持一致，或者按需要部分保持一致；

　　  文件同步，是指让两个或多个文件夹里的文件保持一致等等。而编程中、通信中所说的同步与生活中大家印象中的

　　  同步概念略有差异。“同”字应是指协同、协助、互相配合。主旨在协同步调，按预定的先后次序运行。

　　2.数据混乱的原因

　　 1. 资源共享（独享资源则不会）       

　　  2. 调度随机（意味着数据访问会出现竞争）  

　　  3. 线程间缺乏必要的同步机制。

         以上3点中，前两点不能改变，欲提高效率，传递数据，资源必须共享。只要共享资源，就一定会出现竞争。只要存在竞争关系，

　　  数据就很容易出现混乱。所以只能从第三点着手解决。使多个线程在访问共享资源的时候，出现互斥。

　　 3.线程同步

　　同步即协同步调，按预定的先后次序运行。

        线程同步，指一个线程发出某一功能调用时，在没有得到结果之前，该调用不返回。同时其它线程为保证数据一致性，不能调用

　　 该功能。同步”的目的，是为了避免数据混乱，解决与时间有关的错误。实际上，不仅线程间需要同步，进程间、信号间等等都

　　 需要同步机制。因此，所有“多个控制流，共同操作一个共享资源”的情况，都需要同步。

二、线程同步

　   线程同步主要有互斥锁，条件变量，读写锁和信号量（还有自旋锁但在用户层不常用，具体参考APUE11.6.7自旋锁）

　　 1.互斥锁

　　Linux中提供一把互斥锁mutex（也称之为互斥量）。

　　 每个线程在对资源操作前都尝试先加锁，成功加锁才能操作，操作结束解锁。

        资源还是共享的，线程间也还是竞争的，                                                                

       但通过“锁”就将资源的访问变成互斥操作，而后与时间有关的错误也不会再产生了。

　　

　　但，应注意：同一时刻，只能有一个线程持有该锁。

       当A线程对某个全局变量加锁访问，B在访问前尝试加锁，拿不到锁，B阻塞。

　　C线程不去加锁，而直接访问该全局变量，依然能够访问，但会出现数据混乱。

       所以，互斥锁实质上是操作系统提供的一把“建议锁”（又称“协同锁”），

　　建议程序中有多线程访问共享资源的时候使用该机制。但并没有强制限定。

　　因此，即使有了mutex，如果有线程不按规则来访问数据，依然会造成数据混乱。

　　主要应用函数：

　　pthread_mutex_init函数

      pthread_mutex_destroy函数

      pthread_mutex_lock函数

      pthread_mutex_trylock函数

       pthread_mutex_unlock函数

 　　以上5个函数的返回值都是：成功返回0， 失败返回错误号。   

　　pthread_mutex_t 类型，其本质是一个结构体。为简化理解，应用时可忽略其实现细节，简单当成整数看待。

　　pthread_mutex_t mutex; 变量mutex只有两种取值1、0。

　　pthread_mutex_init函数

　　初始化一个互斥锁(互斥量) ---> 初值可看作1

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

       参1：传出参数，调用时应传 &mutex      

       restrict关键字：只用于限制指针，告诉编译器，所有修改该指针指向内存中内容的操作，只能通过本指针完成。

　　不能通过除本指针以外的其他变量或指针修改

       参2：互斥量属性。是一个传入参数，通常传NULL，选用默认属性(线程间共享)。 参APUE.12.4同步属性

1. 静态初始化：如果互斥锁 mutex 是静态分配的（定义在全局，或加了static关键字修饰），可以直接使用宏进行初始化。
2. e.g.  pthead_mutex_t muetx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
3. 动态初始化：局部变量应采用动态初始化。e.g.  pthread_mutex_init(&mutex, NULL)

 　  pthread_mutex_destroy函数

　　销毁一个互斥锁

       int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

　   pthread_mutex_lock函数

　　加锁。可理解为将mutex--（或-1）

       int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

　　pthread_mutex_unlock函数

　　解锁。可理解为将mutex ++（或+1）

       int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

　　pthread_mutex_trylock函数

　　尝试加锁

      int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

　　

　   加锁与解锁

　　lock与unlock：

        lock尝试加锁，如果加锁不成功，线程阻塞，阻塞到持有该互斥量的其他线程解锁为止。

        unlock主动解锁函数，同时将阻塞在该锁上的所有线程全部唤醒，至于哪个线程先被唤醒，取决于优先级、调度。默认：先阻塞、先唤醒。

        例如：T1 T2 T3 T4 使用一把mutex锁。T1加锁成功，其他线程均阻塞，直至T1解锁。T1解锁后，T2 T3 T4均被唤醒，并自动再次尝试加锁。

        可假想mutex锁 init成功初值为1。 lock 功能是将mutex--， unlock将mutex++

　    lock与trylock：

        lock加锁失败会阻塞，等待锁释放。

        trylock加锁失败直接返回错误号（如：EBUSY），不阻塞。

　　示例代码：生产者与消费者，头文件参考UNPV22E

/* include main */
#include    "unpipc.h"

#define    MAXNITEMS         1000000
#define    MAXNTHREADS            100

int        nitems;            /* read-only by producer and consumer */
struct {
  pthread_mutex_t    mutex;
  int    buff[MAXNITEMS];
  int    nput;
  int    nval;
} shared = { PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER };

void    *produce(void *), *consume(void *);

int
main(int argc, char **argv)
{
    int            i, nthreads, count[MAXNTHREADS];
    pthread_t    tid_produce[MAXNTHREADS], tid_consume;

    if (argc != 3)
        err_quit("usage: prodcons2 <#items> <#threads>");
    nitems = min(atoi(argv[1]), MAXNITEMS);
    nthreads = min(atoi(argv[2]), MAXNTHREADS);

    Set_concurrency(nthreads);
        /* 4start all the producer threads */
    for (i = 0; i < nthreads; i++) {
        count[i] = 0;
        Pthread_create(&tid_produce[i], NULL, produce, &count[i]);
    }

        /* 4wait for all the producer threads */
    for (i = 0; i < nthreads; i++) {
        Pthread_join(tid_produce[i], NULL);
        printf("count[%d] = %d
", i, count[i]);    
    }

        /* 4start, then wait for the consumer thread */
    Pthread_create(&tid_consume, NULL, consume, NULL);
    Pthread_join(tid_consume, NULL);

    exit(0);
}
/* end main */

/* include producer */
void *
produce(void *arg)
{
    for ( ; ; ) {
        Pthread_mutex_lock(&shared.mutex);
        if (shared.nput >= nitems) {
            Pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
            return(NULL);        /* array is full, we're done */
        }
        shared.buff[shared.nput] = shared.nval;
        shared.nput++;
        shared.nval++;
        Pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
        *((int *) arg) += 1;
    }
}

void *
consume(void *arg)
{
    int        i;

    for (i = 0; i < nitems; i++) {
        if (shared.buff[i] != i)
            printf("buff[%d] = %d
", i, shared.buff[i]);
    }
    return(NULL);
}
/* end producer */

　　

　　2.条件变量

　　 条件本身不是锁！但它也可以造成线程阻塞。通常与互斥锁配合使用。给多线程提供一个会合的场所。

　　 互斥锁用于上锁，条件变量用于等待。

　　主要应用函数：

         pthread_cond_init函数

         pthread_cond_destroy函数

         pthread_cond_wait函数

         pthread_cond_timedwait函数

         pthread_cond_signal函数

         pthread_cond_broadcast函数

　　  以上6 个函数的返回值都是：成功返回0， 失败直接返回错误号。

         pthread_cond_t类型      用于定义条件变量

         pthread_cond_t cond;

　　 pthread_cond_init函数

　　 初始化一个条件变量，定义在全局，因为要在子线程中使用。

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

　　 参2：attr表条件变量属性，通常为默认值，传NULL即可

　 　也可以使用静态初始化的方法，初始化条件变量，定义在全局：

　　 pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

　　 pthread_cond_destroy函数

　　销毁一个条件变量

　　int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

　　pthread_cond_wait函数

　　阻塞等待一个条件变量

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

　　函数作用：

      1.阻塞等待条件变量cond（参1）满足 

      2.释放已掌握的互斥锁（解锁互斥量）相当于pthread_mutex_unlock(&mutex);

　  1.2.两步为一个原子操作，不可分割。

      3.当被唤醒，pthread_cond_wait函数返回时，解除阻塞并重新申请获取互斥锁pthread_mutex_lock(&mutex);

　　pthread_cond_timedwait函数

　　限时等待一个条件变量，使用相对时间，所以要先使用time()函数获取当前时间。

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

         参3：

                   struct timespec {

                            time_t tv_sec;          /* seconds */ 秒

                            long   tv_nsec;      /* nanosecondes*/ 纳秒

                   }                                                                        

　　形参abstime：绝对时间。                                                                                     

　　如：time(NULL)返回的就是绝对时间。而alarm(1)是相对时间，相对当前时间定时1秒钟。   

                            struct timespec t = {1, 0};

                            sem_timedwait(&sem, &t); 这样只能定时到 1970年1月1日  00:00:01秒(早已经过去)

 

      正确用法：

                            time_t cur = time(NULL); 获取当前时间。

　　　　　　　　struct timespec t;    定义timespec 结构体变量t

                            t.tv_sec = cur+1; 定时1秒

　　　　　　　　pthread_cond_timedwait (&cond, &t); 传参                                              参APUE.11.6线程同步

     在讲解setitimer函数时我们还提到另外一种时间类型：

        　　　　　　struct timeval {

          　　　　　   time_t      tv_sec;  /* seconds */ 秒

             　　　　　suseconds_t tv_usec; /* microseconds */ 微秒

   　　　　　　     };

　　

　　pthread_cond_signal函数

　　唤醒至少一个阻塞在条件变量上的线程

　　int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

　　pthread_cond_broadcast函数

　　唤醒全部阻塞在条件变量上的线程

      int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

　　示例代码：生产者消费者模型

/*借助条件变量模拟 生产者-消费者 问题*/
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

/*链表作为公享数据,需被互斥量保护*/
struct msg {
    struct msg *next;
    int num;
};
struct msg *head;

/* 静态初始化 一个条件变量 和 一个互斥量*/
pthread_cond_t has_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void *consumer(void *p)
{
    struct msg *mp;

    for (;;) {
        pthread_mutex_lock(&lock);
        while (head == NULL) {           //头指针为空,说明没有节点    可以为if吗
            pthread_cond_wait(&has_product, &lock);
        }

        mp = head;      
        head = mp->next;                //模拟消费掉一个产品
        pthread_mutex_unlock(&lock);

        printf("-Consume %lu---%d
", pthread_self(), mp->num);
        free(mp);
        sleep(rand() % 4);
    }
}

void *producer(void *p)
{
    struct msg *mp;

    for (;;) {
        mp = malloc(sizeof(struct msg));
        mp->num = rand() % 1000 + 1;        //模拟生产一个产品
        printf("-Produce -------------%d
", mp->num);

        pthread_mutex_lock(&lock);
        mp->next = head;
        head = mp;
        pthread_mutex_unlock(&lock);

        pthread_cond_signal(&has_product);  //将等待在该条件变量上的一个线程唤醒

        sleep(rand() % 4);
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t pid, cid;
    srand(time(NULL));

    pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);

    pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);
    pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);
    pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);
    pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);

    pthread_join(pid, NULL);
    pthread_join(cid, NULL);

    return 0;
}

　　条件变量的优点：

       相较于mutex而言，条件变量可以减少竞争。如直接使用mutex，除了生产者、消费者之间要竞争互斥量以外，

       消费者之间也需要竞争互斥量，但如果汇聚（链表）中没有数据，消费者之间竞争互斥锁是无意义的。

　　有了条件变量机制以后，只有生产者完成生产，才会引起消费者之间的竞争。提高了程序效率。

　　3.读写锁

　　与互斥量类似，但读写锁允许更高的并行性。其特性为：写独占，读共享。

　　读写锁状态：

　　一把读写锁具备三种状态：

         1. 读模式下加锁状态 (读锁)

         2. 写模式下加锁状态 (写锁)

         3. 不加锁状态

　　读写锁特性： 

　　1.读写锁是“写模式加锁”时， 解锁前，所有对该锁加锁的线程都会被阻塞。

　　2.读写锁是“读模式加锁”时， 如果线程以读模式对其加锁会成功；如果线程以写模式加锁会阻塞。

　　3.读写锁是“读模式加锁”时， 既有试图以写模式加锁的线程，也有试图以读模式加锁的线程。

　　那么读写锁会阻塞随后的读模式锁请求。优先满足写模式锁。读锁、写锁并行阻塞，写锁优先级高

       读写锁也叫共享-独占锁。当读写锁以读模式锁住时，它是以共享模式锁住的；当它以写模式锁住时，它是以独占模式锁住的。写独占、读共享。

       读写锁非常适合于对数据结构读的次数远大于写的情况。

　　主要应用函数：

       pthread_rwlock_init函数

       pthread_rwlock_destroy函数

       pthread_rwlock_rdlock函数 

       pthread_rwlock_wrlock函数

       pthread_rwlock_tryrdlock函数

       pthread_rwlock_trywrlock函数

       pthread_rwlock_unlock函数

　　以上7 个函数的返回值都是：成功返回0， 失败直接返回错误号。  

      pthread_rwlock_t类型   用于定义一个读写锁变量。

      pthread_rwlock_t rwlock;

　　pthread_rwlock_init函数

　　初始化一把读写锁

       int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);

       参2：attr表读写锁属性，通常使用默认属性，传NULL即可。

　　pthread_rwlock_destroy函数

　　销毁一把读写锁

       int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

　　pthread_rwlock_rdlock函数

　　以读方式请求读写锁。（常简称为：请求读锁）

       int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

　　pthread_rwlock_wrlock函数

　　以写方式请求读写锁。（常简称为：请求写锁）

   　 int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

　　pthread_rwlock_unlock函数

　　解锁

       int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

　　pthread_rwlock_tryrdlock函数

　　非阻塞以读方式请求读写锁（非阻塞请求读锁）

　　int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

　    pthread_rwlock_trywrlock函数

　　非阻塞以写方式请求读写锁（非阻塞请求写锁）

       int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

　　示例代码：同时有多个线程对同一全局数据读、写操作。　

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

int counter;
pthread_rwlock_t rwlock;

/* 3个线程不定时写同一全局资源，5个线程不定时读同一全局资源 */
void *th_write(void *arg)
{
    int t;
    int i = (int)arg;
    while (1) {
        pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
        t = counter;   
        usleep(1000);
        printf("=======write %d: %lu: counter=%d ++counter=%d
", i, pthread_self(), t, ++counter);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        usleep(10000);
    }
    return NULL;
}
void *th_read(void *arg)
{
    int i = (int)arg;

    while (1) {
        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
        printf("----------------------------read %d: %lu: %d
", i, pthread_self(), counter);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        usleep(2000);
    }
    return NULL;
}

int main(void)
{
    int i;
    pthread_t tid[8];

    pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);

    for (i = 0; i < 3; i++)
        pthread_create(&tid[i], NULL, th_write, (void *)i);

    for (i = 0; i < 5; i++)
        pthread_create(&tid[i+3], NULL, th_read, (void *)i);

    for (i = 0; i < 8; i++)
        pthread_join(tid[i], NULL);

    pthread_rwlock_destroy(&rwlock);

    return 0;
}

　　

　　4.信号量

　　信号量有posix有名信号量和无名信号量，还有system V信号量，在这里主要介绍posix无名信号量用于线程同步。

　　进化版的互斥锁（1 --> N）

        由于互斥锁的粒度比较大，如果我们希望在多个线程间对某一对象的部分数据进行共享，使用互斥锁是没有办法实现的，只能将整个数据对象锁住。

　　 这样虽然达到了多线程操作共享数据时保证数据正确性的目的，却无形中导致线程的并发性下降。线程从并行执行，变成了串行执行。与直接使用单进程无异。

      信号量，是相对折中的一种处理方式，既能保证同步，数据不混乱，又能提高线程并发

　　主要应用函数：

         sem_init函数

         sem_destroy函数

         sem_wait函数

         sem_trywait函数  

         sem_timedwait函数      

         sem_post函数

　　  以上6 个函数的返回值都是：成功返回0， 失败返回-1，同时设置errno。(注意，它们没有pthread前缀)

　　 可以使用perror函数打印出错信息。

        sem_t类型，本质仍是结构体。但应用期间可简单看作为整数，忽略实现细节（类似于使用文件描述符）。

        sem_t sem; 规定信号量sem不能 < 0。头文件 <semaphore.h>

　　信号量基本操作：

　　sem_wait:        1. 信号量大于0，则信号量--                （类比pthread_mutex_lock）

           |                   2. 信号量等于0，造成线程阻塞

         对应

           |

       sem_post：     将信号量++，同时唤醒阻塞在信号量上的线程         （类比pthread_mutex_unlock）

　　但，由于sem_t的实现对用户隐藏，所以所谓的++、--操作只能通过函数来实现，而不能直接++、--符号。

　　信号量的初值，决定了占用信号量的线程的个数。

　　sem_init函数

　　初始化一个信号量

       int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

       参1：sem信号量 

　   参2：pshared取0用于线程间；取非0用于进程间        

　　参3：value指定信号量初值

　　sem_destroy函数

　　销毁一个信号量

        int sem_destroy(sem_t *sem);

　　 sem_wait函数

　　给信号量加锁 --

       int sem_wait(sem_t *sem);

　　sem_post函数

　　给信号量解锁 ++

       int sem_post(sem_t *sem); 

　　sem_trywait函数

　　尝试对信号量加锁 --    (与sem_wait的区别类比lock和trylock)

       int sem_trywait(sem_t *sem);     

　　sem_timedwait函数

　　限时尝试对信号量加锁 --

       int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);

       参2：abs_timeout采用的是绝对时间。                      

      定时1秒：

                   time_t cur = time(NULL); 获取当前时间。

　　　　　  struct timespec t;    定义timespec 结构体变量t

                   t.tv_sec = cur+1; 定时1秒

　　　　　 sem_timedwait(&sem, &t); 传参

　　示例代码：生成者消费者模型，一个生产者多个消费者　　

/*信号量实现 生产者 消费者问题*/
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <semaphore.h>

#define NUM 5       

int idex = 0;    
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;    //解决多个消费者之间的竞争   
int queue[NUM];                                     //全局数组实现环形队列
sem_t blank_number, product_number;                 //空格子信号量, 产品信号量
void *producer(void *arg)
{
    int i = 0;
    while (1) {
        sem_wait(&blank_number);                    //生产者将空格子数--,为0则阻塞等待
        queue[i] = rand() % 1000 + 1;               //生产一个产品
        printf("----Produce---%d
", queue[i]);        
        sem_post(&product_number);                  //将产品数++

        i = (i+1) % NUM;                            //借助下标实现环形
        sleep(rand()%1);
    }
}

void *consumer(void *arg)
{
    while (1) {
        sem_wait(&product_number);                  //消费者将产品数--,为0则阻塞等待
        printf("-Consume---%d      %lu
", queue[idex], pthread_self());
        queue[idex] = 0;                               //消费一个产品 
        sem_post(&blank_number);                    //消费掉以后,将空格子数++

        pthread_mutex_lock(&lock);
        idex = (idex+1) % NUM;
        pthread_mutex_unlock(&lock);
        sleep(rand()%1);
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t pid, cid;

    sem_init(&blank_number, 0, NUM);                //初始化空格子信号量为5
    sem_init(&product_number, 0, 0);                //产品数为0

    pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);
    
    pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);
    pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);
    pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);
    pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);
    pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);
    
    pthread_join(pid, NULL);
    pthread_join(cid, NULL);

    sem_destroy(&blank_number);
    sem_destroy(&product_number);

    return 0;
}