Linux线程同步方法

多线程已经成为服务器开发不可或缺的重要知识点了，那么怎样协调各个线程之间的工作就变得至关重要，于是这篇文章就来总结一下线程同步的方法。

什么是线程同步？

“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。线程同步：即当有一个线程在对内存进行操作时，其他线程都不可以对这个内存地址进行操作，直到该线程完成操作， 其他线程才能对该内存地址进行操作，而其他线程又处于等待状态。

“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。

那么怎样达到线程同步就需要一些方法，这里讲解了互斥量，条件变量，信号量线程同步方法。

互斥锁mutex

互斥锁的原理很容易理解，我们给一个共享资源分配一把锁，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。

通过这样：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。

我们先用一个用互斥量使用步骤开始讲解：

1，pthread_mutex_t 函数 ，创造一个互斥锁。

2，pthread_mutex_init 函数，初始化。

3，pthread_mutex_lock / pthread_mutex_trylock 函数，加锁。

4，访问共享数据

5，pthread_mutex_unlock 函数，解锁
6，pthread_mutex_destroy 函数，销毁锁

pthread_mutex_t  mutex;

没啥好说的，就是创造一个互斥锁mutex。

pthread_mutex_init 函数

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);　　函数作用是：初始化一个互斥锁(互斥量) ---> 初值可看作 1

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

pthread_mutex_lock 函数
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);　　函数作用是：加锁。可理解为将 mutex--（或 -1），操作后 mutex 的值为 0。

另外，lock与trylock的区别是：lock加锁失败会导致阻塞，trylock加锁失败不会阻塞会返回-1 。

pthread_mutex_unlock 函数

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);　　解锁。可理解为将 mutex ++（或 +1），操作后 mutex 的值为 1。

pthread_mutex_destroy 函数
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);　　销毁一个互斥锁

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。

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

//互斥锁设为全局变量
pthread_mutex_t mutex;

//子线程
void *tfn(void *arg) {
    srand(time(NULL));
    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);    //加锁，不行则阻塞
        printf("hello ");
        printf("world
");
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(rand()%3);
    }
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    srand(time(NULL));
    
    pthread_mutex_init(&mutex,NULL);    //初始化互斥锁

    pthread_create(&tid,NULL,tfn,NULL);    //创造子线程

    //主线程
    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);    //互斥锁加锁，不行则阻塞
        printf("HELLO ");
        printf("WORLD
");
        pthread_mutex_unlock(&mutex);    //互斥锁解锁
        sleep(rand()%3);
    }
    
    //最后记得回收子线程，销毁互斥锁
    pthread_join(tid,NULL);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    return 0;
}

互斥锁读写锁

条件变量

条件变量本身不是锁！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。

函数类似互斥锁，我们也从条件变量使用步骤开始：

1，pthread_cond_t 函数， 用于定义条件变量

2，pthread_cond_init 函数

3，pthread_cond_wait  /  pthread_cond_timedwait 函数

4，pthread_cond_signal  /  pthread_cond_broadcast 函数

5，唤醒之后，重新申请互斥锁，然后操作共享资源

6，pthread_cond_destroy 函数

pthread_cond_init 函数

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);　　初始化一个条件变量

参1：创造的条件变量　　参2：attr 表条件变量属性，通常为默认值，传 NULL 即可

 

pthread_cond_wait 函数
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);　　阻塞等待一个条件变量
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);
　　　　注意：1 2. 两步为 一个 原子操作。
　　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

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec*restrict abstime);　　限时等待一个条件变量

与pthread_cond_wait函数相比就是多了struct timespec这个结构体：

struct timespec {
time_t tv_sec;　　 /* seconds */ 秒
long tv_nsec; 　　/* nanosecondes*/ 纳秒　，注意这里是纳秒，timeval这个结构体这里是微秒
}

并且要注意这里的abstime是绝对时间，所以正确用法是：

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, &mutex, &t); 　　传参

pthread_cond_signal 函数
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);　　唤醒至少一个阻塞在条件变量上的线程

tpthread_cond_broadcast 函数
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);　　唤醒全部阻塞在条件变量上的线程

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<errno.h>
#include<pthread.h>

//线程不能perror，有自己独特的错误处理方式
void error_thread(int ret,char *str) {
    if (ret!=0) {
        fprintf(stderr,"%s:%s
",str,strerror(ret));
        pthread_exit(NULL);
    }
}

//把生产的物品做成链表
struct msg{
    int num;
    struct msg *next;
};
struct msg *head;

pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;    //互斥量
pthread_cond_t has_data=PTHREAD_COND_INITIALIZER;    //条件变量

//生产者线程
void *producer(void *arg) {
    while (1) {
        //生产者生产一个数据
        struct msg *mp=malloc(sizeof(struct msg));
        mp->num = rand()%1000+1;
        printf("--produce %d
",mp->num);
        
        //利用互斥量对公共区域做互斥
        pthread_mutex_lock(&mutex);    //加互斥锁
        mp->next=head;            //写公共区域
        head=mp;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);    //解互斥锁

        //条件变量：唤醒阻塞在条件变量has_data的线程
        pthread_cond_signal(&has_data);

        sleep(rand()%3);
    }
    return NULL;
}

//消费者线程
void *consumer(void *arg) {
    while (1) {
        struct msg *mp;

        //
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while (head==NULL) 
            pthread_cond_wait(&has_data,&mutex);

        //消费生产品，读写公共区域
        mp=head;
        head=mp->next;
        printf("-------------consumer id %lu :%d
",pthread_self(),mp->num);
        free(mp);
        
        sleep(rand()%3);
    }
    return NULL;
}

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

    srand(time(NULL));

    ret=pthread_create(&pid,NULL,producer,NULL);        //生产者
    if (ret!=0)
        err_thread(ret,"pthread_create producer error");

    ret=pthread_create(&cid,NULL,consumer,NULL);        //消费者
    if (ret!=0)
        err_thread(ret,"pthread_create producer error");

    return 0;
}

从生产者消费者问题我们可以看出条件变量配合使用的一点好处：

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。

信号量

信号量可以看作是进化版的互斥锁（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。

同样的，我们以使用步骤开始讲解：

1，sem_t sem; 　　规定信号量 sem 不能 < 0。

2，sem_init 函数　　初始化

3，sem_wait  /  sem_trywait  /  sem_timedwait 函数　　，信号量尝试减一，准备访问共享资源

4，访问操作共享资源

5，sem_post 函数　　，访问完成，信号量加一

6，sem_destroy 函数　　销毁信号量

sem_init 函数
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);　　初始化一个信号量
参 1：sem 信号量
参 2：pshared 取 0 用于线程间；取非 0（一般为 1）用于进程间
参 3：value 指定信号量初值>=0

sem_wait 函数
int sem_wait(sem_t *sem);　　给信号量加锁 --

sem_tryt wait 函数
int sem_trywait(sem_t *sem);　　尝试对信号量加锁 -- (与 sem_wait 的区别类比 lock 和 trylock，即阻塞与非阻塞)

sem_timedwait 函数
int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);　　限时尝试对信号量加锁 --
参 2：abs_timeout 采用的是绝对时间。　　注意这里也是timespec，参考上面条件变量，也是绝对时间+纳秒。

sem_post 函数
int sem_post(sem_t *sem);　　给信号量解锁 ++

sem_destroy 函数
int sem_destroy(sem_t *sem);　　销毁一个信号量

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

#define NUM 5

int queue[NUM];
sem_t blank_number,product_number;

void *producer(void *arg) {
    int i=0;
    while (1) {
        //这里是信号量处理生产过程
        sem_wait(&blank_number);    //空位数信号量--
        queue[i]=rand()%1000+1;    //开始生产
        printf("----Produce----%d
",queue[i]);
        sem_post(&product_number);    //产品数信号量++

        i=(i+1)%NUM;
        sleep(rand()%1);
    }
}

void *consumer(void *arg) {
    int i=0;
    while (1) {
        //这里是信号量处理消费过程
        sem_wait(&product_number);    //产品数信号量--
        //开始消费
        printf("---consume--%d
",queue[i]);
        queue[i]=0;
        sem_post(&blank_number);    //空位数信号量++

        i=(i+1)%NUM;
        sleep(rand()%3);
    }
}

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

    //参二0为线程1为进程，参三可以理解为信号量初始值
    sem_init(&blank_number,0,NUM);    //空位数
    sem_init(&product_number,0,0);    //产品数

    //创建生产者消费者线程
    pthread_create(&pid,NULL,producer,NULL);    
    pthread_create(&cid,NULL,consumer,NULL);

    //回收线程
    pthread_join(pid,NULL);
    pthread_join(cid,NULL);

    //销毁信号量
    sem_destroy(&blank_number);
    sem_destroy(&product_number);
    
    return 0;
}