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  • Linux进程间通信与线程间同步详解（全面详细）

    引用：http://community.csdn.net/Expert/TopicView3.asp?id=4374496
    linux下进程间通信的几种主要手段简介：

       1. 管道（Pipe）及有名管道（named pipe）：管道可用于具有亲缘关系进程间的通信，有名管道克服了管道没有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它还允许无亲缘关系进程间的通信；
       2. 信号（Signal）：信号是比较复杂的通信方式，用于通知接受进程有某种事件发生，除了用于进程间通信外，进程还可以发送信号给进程本身；linux除了支持Unix早期信号语义函数sigal外，还支持语义符合Posix.1标准的信号函数 sigaction（实际上，该函数是基于BSD的，BSD为了实现可靠信号机制，又能够统一对外接口，用sigaction函数重新实现了signal 函数）；
       3. 报文（Message）队列（消息队列）：消息队列是消息的链接表，包括Posix消息队列system V消息队列。有足够权限的进程可以向队列中添加消息，被赋予读权限的进程则可以读走队列中的消息。消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。
       4. 共享内存：使得多个进程可以访问同一块内存空间，是最快的可用IPC形式。是针对其他通信机制运行效率较低而设计的。往往与其它通信机制，如信号量结合使用，来达到进程间的同步及互斥。
       5. 信号量（semaphore）：主要作为进程间以及同一进程不同线程之间的同步手段。
       6. 套接口（Socket）：更为一般的进程间通信机制，可用于不同机器之间的进程间通信。起初是由Unix系统的BSD分支开发出来的，但现在一般可以移植到其它类Unix系统上：Linux和System V的变种都支持套接字。
     
     
     
     
     
    线程的最大特点是资源的共享性，但资源共享中的同步问题是多线程编程的难点。linux下提供了多种方式来处理线程同步，最常用的是互斥锁、条件变量和信号量。

    1）互斥锁（mutex）

        通过锁机制实现线程间的同步。同一时刻只允许一个线程执行一个关键部分的代码。

    int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,const pthread_mutex_attr_t *mutexattr);

    int pthread_mutex_lock(pthread_mutex *mutex);

    int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex *mutex);

    int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex *

    (1)先初始化锁init()或静态赋值pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIER

    attr_t有:

    PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP:其余线程等待队列

    PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP:嵌套锁,允许线程多次加锁,不同线程,解锁后重新竞争

    PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP:检错,与一同,线程请求已用锁,返回EDEADLK;

    PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP:适应锁,解锁后重新竞争

    (2)加锁,lock,trylock,lock阻塞等待锁,trylock立即返回EBUSY

    (3)解锁,unlock需满足是加锁状态,且由加锁线程解锁

    (4)清除锁,destroy(此时锁必需unlock,否则返回EBUSY,//Linux下互斥锁不占用内存资源

    示例代码

    1. #include <cstdio> 
    2. #include <cstdlib> 
    3. #include <unistd.h> 
    4. #include <pthread.h> 
    5. #include "iostream" 
    6. using namespace std; 
    7. pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; 
    8. int tmp; 
    9. void* thread(void *arg) 
    10. { 
    11.     cout << "thread id is " << pthread_self() << endl; 
    12.     pthread_mutex_lock(&mutex); 
    13.     tmp = 12; 
    14.     cout << "Now a is " << tmp << endl; 
    15.     pthread_mutex_unlock(&mutex); 
    16.     return NULL; 
    17. } 
    19. int main() 
    20. { 
    21.     pthread_t id; 
    22.     cout << "main thread id is " << pthread_self() << endl; 
    23.     tmp = 3; 
    24.     cout << "In main func tmp = " << tmp << endl; 
    25.     if (!pthread_create(&id, NULL, thread, NULL)) 
    26.     { 
    27.         cout << "Create thread success!" << endl; 
    28.     } 
    29.     else 
    30.     { 
    31.         cout << "Create thread failed!" << endl; 
    32.     } 
    33.     pthread_join(id, NULL); 
    34.     pthread_mutex_destroy(&mutex); 
    35.     return 0; 
    36. }

    编译： g++ -o thread testthread.cpp -lpthread

    说明：pthread库不是Linux系统默认的库，连接时需要使用静态库libpthread.a，所以在使用pthread_create()创建线程，以及调用pthread_atfork()函数建立fork处理程序时，需要链接该库。在编译中要加 -lpthread参数。

     

    2）条件变量（cond）

        利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制。条件变量上的基本操作有：触发条件(当条件变为 true 时)；等待条件，挂起线程直到其他线程触发条件。

    int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond,pthread_condattr_t *cond_attr);   

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

    int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex *mutex,const timespec *abstime);

    int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

    int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

    int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);  //解除所有线程的阻塞

    (1)初始化.init()或者pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIER（前者为动态初始化，后者为静态初始化）;属性置为NULL

    (2)等待条件成立.pthread_wait,pthread_timewait.wait()释放锁,并阻塞等待条件变量为真，timewait()设置等待时间,仍未signal,返回ETIMEOUT(加锁保证只有一个线程wait)

    (3)激活条件变量:pthread_cond_signal,pthread_cond_broadcast(激活所有等待线程)

    (4)清除条件变量:destroy;无线程等待,否则返回EBUSY

    对于

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

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

    一定要在mutex的锁定区域内使用。

        如果要正确的使用pthread_mutex_lock与pthread_mutex_unlock，请参考

    pthread_cleanup_push和pthread_cleanup_pop宏，它能够在线程被cancel的时候正确的释放mutex！

        另外，posix1标准说，pthread_cond_signal与pthread_cond_broadcast无需考虑调用线程是否是mutex的拥有者，也就是说，可以在lock与unlock以外的区域调用。如果我们对调用行为不关心，那么请在lock区域之外调用吧。

    说明：

        (1)pthread_cond_wait 自动解锁互斥量(如同执行了pthread_unlock_mutex)，并等待条件变量触发。这时线程挂起，不占用CPU时间，直到条件变量被触发（变量为ture）。在调用 pthread_cond_wait之前，应用程序必须加锁互斥量。pthread_cond_wait函数返回前，自动重新对互斥量加锁(如同执行了pthread_lock_mutex)。

        (2)互斥量的解锁和在条件变量上挂起都是自动进行的。因此，在条件变量被触发前，如果所有的线程都要对互斥量加锁，这种机制可保证在线程加锁互斥量和进入等待条件变量期间，条件变量不被触发。条件变量要和互斥量相联结，以避免出现条件竞争——个线程预备等待一个条件变量，当它在真正进入等待之前，另一个线程恰好触发了该条件（条件满足信号有可能在测试条件和调用pthread_cond_wait函数（block）之间被发出，从而造成无限制的等待）。

    (3)pthread_cond_timedwait 和 pthread_cond_wait 一样，自动解锁互斥量及等待条件变量，但它还限定了等待时间。如果在abstime指定的时间内cond未触发，互斥量mutex被重新加锁，且pthread_cond_timedwait返回错误 ETIMEDOUT。abstime 参数指定一个绝对时间，时间原点与 time 和 gettimeofday 相同：abstime = 0 表示 1970年1月1日00:00:00 GMT。

    (4)pthread_cond_destroy 销毁一个条件变量，释放它拥有的资源。进入 pthread_cond_destroy 之前，必须没有在该条件变量上等待的线程。

        (5)条件变量函数不是异步信号安全的，不应当在信号处理程序中进行调用。特别要注意，如果在信号处理程序中调用 pthread_cond_signal 或pthread_cond_boardcast 函数，可能导致调用线程死锁。

    示例程序1

     

    1. #include <stdio.h>
    2. #include <pthread.h>
    3. #include "stdlib.h"
    4. #include "unistd.h"
    6. pthread_mutex_t mutex;
    7. pthread_cond_t cond;
    9. void hander(void *arg)
    10. {
    11.     free(arg); 
    12.     (void)pthread_mutex_unlock(&mutex);
    13. }
    15. void *thread1(void *arg)
    16. {
    17.      pthread_cleanup_push(hander, &mutex); 
    18.      while(1) 
    19.      { 
    20.          printf("thread1 is running "); 
    21.          pthread_mutex_lock(&mutex); 
    22.          pthread_cond_wait(&cond,&mutex); 
    23.          printf("thread1 applied the condition "); 
    24.          pthread_mutex_unlock(&mutex); 
    25.          sleep(4); 
    26.      } 
    27.      pthread_cleanup_pop(0); 
    28. } 
    30. void *thread2(void *arg)
    31. { 
    32.     while(1) 
    33.     { 
    34.         printf("thread2 is running "); 
    35.         pthread_mutex_lock(&mutex); 
    36.         pthread_cond_wait(&cond,&mutex); 
    37.         printf("thread2 applied the condition "); 
    38.         pthread_mutex_unlock(&mutex); 
    39.         sleep(1); 
    40.     }
    41. }
    43. int main()
    44. {
    45.      pthread_t thid1,thid2; 
    46.      printf("condition variable study! "); 
    47.      pthread_mutex_init(&mutex,NULL); 
    48.      pthread_cond_init(&cond,NULL); 
    49.      pthread_create(&thid1,NULL,thread1,NULL); 
    50.      pthread_create(&thid2,NULL,thread2,NULL); 
    51.      sleep(1); 
    52.      do 
    53.      { 
    54.          pthread_cond_signal(&cond); 
    55.      }while(1); 
    56.      sleep(20); 
    57.      pthread_exit(0); 
    58.      return 0;
    59. }

    示例程序2：

    1. #include <pthread.h> 
    2. #include <unistd.h> 
    3. #include "stdio.h"
    4. #include "stdlib.h"
    6. static pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; 
    7. static pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER; 
    9. struct node 
    10. {
    11.      int n_number; 
    12.      struct node *n_next; 
    13. } *head = NULL; 
    15. /*[thread_func]*/ 
    16. static void cleanup_handler(void *arg) 
    17. {
    18.      printf("Cleanup handler of second thread./n"); 
    19.      free(arg); 
    20.      (void)pthread_mutex_unlock(&mtx); 
    21. } 
    23. static void *thread_func(void *arg) 
    24. {
    25.      struct node *p = NULL; 
    26.      pthread_cleanup_push(cleanup_handler, p); 
    27.      while (1) 
    28.      { 
    29.          //这个mutex主要是用来保证pthread_cond_wait的并发性
    30.          pthread_mutex_lock(&mtx); 
    31.          while (head == NULL) 
    32.          { 
    33.          //这个while要特别说明一下，单个pthread_cond_wait功能很完善，为何
    34.          //这里要有一个while (head == NULL)呢？因为pthread_cond_wait里的线 
    35.          //程可能会被意外唤醒，如果这个时候head != NULL，则不是我们想要的情况。 
    36.          //这个时候，应该让线程继续进入pthread_cond_wait 
    37.          // pthread_cond_wait会先解除之前的pthread_mutex_lock锁定的mtx， 
    38.          //然后阻塞在等待对列里休眠，直到再次被唤醒（大多数情况下是等待的条件成立 
    39.          //而被唤醒，唤醒后，该进程会先锁定先pthread_mutex_lock(&mtx);，再读取资源 
    40.          //用这个流程是比较清楚的/*block-->unlock-->wait() return-->lock*/ 
    41.          pthread_cond_wait(&cond, &mtx); 
    42.          p = head; 
    43.          head = head->n_next; 
    44.          printf("Got %d from front of queue/n", p->n_number);
    45.          free(p); 
    46.           } 
    47.           pthread_mutex_unlock(&mtx); //临界区数据操作完毕，释放互斥锁 
    48.      } 
    49.      pthread_cleanup_pop(0); 
    50.      return 0; 
    51. } 
    53. int main(void) 
    54. {
    55.      pthread_t tid; 
    56.      int i; 
    57.      struct node *p; 
    58.      //子线程会一直等待资源，类似生产者和消费者，但是这里的消费者可以是多个消费者，而 
    59.      //不仅仅支持普通的单个消费者，这个模型虽然简单，但是很强大
    60.      pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL); 
    61.      sleep(1); 
    62.      for (i = 0; i < 10; i++) 
    63.      { 
    64.          p = (struct node*)malloc(sizeof(struct node)); 
    65.          p->n_number = i; 
    66.          pthread_mutex_lock(&mtx); //需要操作head这个临界资源，先加锁， 
    67.          p->n_next = head; 
    68.          head = p; 
    69.          pthread_cond_signal(&cond); 
    70.          pthread_mutex_unlock(&mtx); //解锁 
    71.          sleep(1); 
    72.      } 
    73.      printf("thread 1 wanna end the line.So cancel thread 2./n"); 
    74.      
    75.      //关于pthread_cancel，有一点额外的说明，它是从外部终止子线程，子线程会在最近的取消点，退出 
    76.      //线程，而在我们的代码里，最近的取消点肯定就是pthread_cond_wait()了。 
    77.      pthread_cancel(tid); 
    78.      pthread_join(tid, NULL); 
    79.      printf("All done -- exiting/n"); 
    80.      return 0; 
    81. }

    3）信号量

        如同进程一样，线程也可以通过信号量来实现通信，虽然是轻量级的。

        信号量函数的名字都以"sem_"打头。线程使用的基本信号量函数有四个。

    #include <semaphore.h>

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

        这是对由sem指定的信号量进行初始化，设置好它的共享选项（linux 只支持为0，即表示它是当前进程的局部信号量），然后给它一个初始值VALUE。

    两个原子操作函数：

    int sem_wait(sem_t *sem);

    int sem_post(sem_t *sem);

        这两个函数都要用一个由sem_init调用初始化的信号量对象的指针做参数。

    sem_post：给信号量的值加1；

    sem_wait:给信号量减1；对一个值为0的信号量调用sem_wait,这个函数将会等待直到有其它线程使它不再是0为止。

    int sem_destroy(sem_t *sem);

        这个函数的作用是再我们用完信号量后都它进行清理。归还自己占有的一切资源。

     

    示例代码：

     

    1. #include <stdlib.h> 
    2. #include <stdio.h> 
    3. #include <unistd.h> 
    4. #include <pthread.h> 
    5. #include <semaphore.h> 
    6. #include <errno.h> 
    7.     
    8. #define return_if_fail(p) if((p) == 0){printf ("[%s]:func error!/n", __func__);return;} 
    9.     
    10. typedef struct _PrivInfo 
    11. { 
    12.   sem_t s1; 
    13.   sem_t s2; 
    14.   time_t end_time; 
    15. }PrivInfo; 
    16.     
    17. static void info_init (PrivInfo* thiz); 
    18. static void info_destroy (PrivInfo* thiz); 
    19. static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz); 
    20. static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz); 
    21.     
    22. int main (int argc, char** argv) 
    23. { 
    24.   pthread_t pt_1 = 0; 
    25.   pthread_t pt_2 = 0; 
    26.   int ret = 0; 
    27.   PrivInfo* thiz = NULL; 
    28.       
    29.   thiz = (PrivInfo* )malloc (sizeof (PrivInfo)); 
    30.   if (thiz == NULL) 
    31.   { 
    32.     printf ("[%s]: Failed to malloc priv./n"); 
    33.     return -1; 
    34.   } 
    35.     
    36.   info_init (thiz); 
    37.     
    38.   ret = pthread_create (&pt_1, NULL, (void*)pthread_func_1, thiz); 
    39.   if (ret != 0) 
    40.   { 
    41.     perror ("pthread_1_create:"); 
    42.   } 
    43.     
    44.   ret = pthread_create (&pt_2, NULL, (void*)pthread_func_2, thiz); 
    45.   if (ret != 0) 
    46.   { 
    47.      perror ("pthread_2_create:"); 
    48.   } 
    49.     
    50.   pthread_join (pt_1, NULL); 
    51.   pthread_join (pt_2, NULL); 
    52.     
    53.   info_destroy (thiz); 
    54.       
    55.   return 0; 
    56. } 
    57.     
    58. static void info_init (PrivInfo* thiz) 
    59. { 
    60.   return_if_fail (thiz != NULL); 
    61.     
    62.   thiz->end_time = time(NULL) + 10; 
    63.       
    64.   sem_init (&thiz->s1, 0, 1); 
    65.   sem_init (&thiz->s2, 0, 0); 
    66.     
    67.   return; 
    68. } 
    69.     
    70. static void info_destroy (PrivInfo* thiz) 
    71. { 
    72.   return_if_fail (thiz != NULL); 
    73.     
    74.   sem_destroy (&thiz->s1); 
    75.   sem_destroy (&thiz->s2); 
    76.     
    77.   free (thiz); 
    78.   thiz = NULL; 
    79.     
    80.   return; 
    81. } 
    82.     
    83. static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz) 
    84. { 
    85.   return_if_fail (thiz != NULL); 
    86.     
    87.   while (time(NULL) < thiz->end_time) 
    88.   { 
    89.     sem_wait (&thiz->s2); 
    90.     printf ("pthread1: pthread1 get the lock./n"); 
    91.     
    92.     sem_post (&thiz->s1); 
    93.     printf ("pthread1: pthread1 unlock/n"); 
    94.     
    95.     sleep (1); 
    96.   } 
    97.     
    98.   return; 
    99. } 
    100.     
    101. static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz) 
    102. { 
    103.   return_if_fail (thiz != NULL); 
    104.     
    105.   while (time (NULL) < thiz->end_time) 
    106.   { 
    107.     sem_wait (&thiz->s1); 
    108.     printf ("pthread2: pthread2 get the unlock./n"); 
    109.     
    110.     sem_post (&thiz->s2); 
    111.     printf ("pthread2: pthread2 unlock./n"); 
    112.     
    113.     sleep (1); 
    114.   } 
    115.     
    116.   return; 
    117. }

    通 过执行结果后，可以看出，会先执行线程二的函数，然后再执行线程一的函数。它们两就实现了同步。在上大学的时候，虽然对这些概念知道，可都没有实践过，所 以有时候时间一久就会模糊甚至忘记，到了工作如果还保持这么一种状态，那就太可怕了。虽然现在外面的技术在不断的变化更新，可是不管怎么变，其核心技术还 是依旧的，所以我们必须要打好自己的基础，再学习其他新的知识，那时候再学新的知识也会觉得比较简单的。信号量代码摘自http://blog.csdn.net/wtz1985/article/details/3835781

    参考：

    【1】 http://www.cnblogs.com/feisky/archive/2009/11/12/1601824.html

    【2】 http://www.cnblogs.com/mydomain/archive/2011/07/10/2102147.html

    【3】 线程函数介绍

    http://www.unix.org/version2/whatsnew/threadsref.html

    【4】 http://www.yolinux.com/TUTORIALS/LinuxTutorialPosixThreads.html

    【5】 线程常用函数简介

    http://www.rosoo.net/a/201004/8954.html

    【6】 条件变量

    http://blog.csdn.net/hiflower/article/details/2195350

    【7】条件变量函数说明

    http://blog.csdn.net/hairetz/article/details/4535920

     

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