【转】 Linux 线程同步的三种方法

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。

一、互斥锁(mutex)

通过锁机制实现线程间的同步。

1. 初始化锁。在Linux下，线程的互斥量数据类型是pthread_mutex_t。在使用前,要对它进行初始化。
   静态分配：pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
   动态分配：int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutex_attr_t *mutexattr);
2. 加锁。对共享资源的访问，要对互斥量进行加锁，如果互斥量已经上了锁，调用线程会阻塞，直到互斥量被解锁。
   int pthread_mutex_lock(pthread_mutex *mutex);
   int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
3. 解锁。在完成了对共享资源的访问后，要对互斥量进行解锁。
   int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
4. 销毁锁。锁在是使用完成后，需要进行销毁以释放资源。
   int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex *mutex);

#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include "iostream"
using namespace std;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int tmp;
void* thread(void *arg)
{
    cout << "thread id is " << pthread_self() << endl;
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    tmp = 12;
    cout << "Now a is " << tmp << endl;
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}
int main()
{
    pthread_t id;
    cout << "main thread id is " << pthread_self() << endl;
    tmp = 3;
    cout << "In main func tmp = " << tmp << endl;
    if (!pthread_create(&id, NULL, thread, NULL))
    {
        cout << "Create thread success!" << endl;
    }
    else
    {
        cout << "Create thread failed!" << endl;
    }
    pthread_join(id, NULL);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    return 0;
}
//编译：g++ -o thread testthread.cpp -lpthread

二、条件变量(cond)

互斥锁不同，条件变量是用来等待而不是用来上锁的。条件变量用来自动阻塞一个线程，直到某特殊情况发生为止。通常条件变量和互斥锁同时使用。条件变量分为两部分: 条件和变量。条件本身是由互斥量保护的。线程在改变条件状态前先要锁住互斥量。条件变量使我们可以睡眠等待某种条件出现。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，主要包括两个动作：一个线程等待"条件变量的条件成立"而挂起；另一个线程使"条件成立"（给出条件成立信号）。条件的检测是在互斥锁的保护下进行的。如果一个条件为假，一个线程自动阻塞，并释放等待状态改变的互斥锁。如果另一个线程改变了条件，它发信号给关联的条件变量，唤醒一个或多个等待它的线程，重新获得互斥锁，重新评价条件。如果两进程共享可读写的内存，条件变量可以被用来实现这两进程间的线程同步。

1. 初始化条件变量。
   静态态初始化，pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIER;
   动态初始化，int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr);
2. 等待条件成立。释放锁,同时阻塞等待条件变量为真才行。timewait()设置等待时间,仍未signal,返回ETIMEOUT(加锁保证只有一个线程wait)
   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);
3. 激活条件变量。pthread_cond_signal,pthread_cond_broadcast（激活所有等待线程）
   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
4. 清除条件变量。无线程等待,否则返回EBUSY
   int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include "stdlib.h"
#include "unistd.h"
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;
void hander(void *arg)
{
    free(arg);
    (void)pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
void *thread1(void *arg)
{
    pthread_cleanup_push(hander, &mutex);
    while(1)
    {
        printf("thread1 is running
");
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
        printf("thread1 applied the condition
");
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(4);
    }
    pthread_cleanup_pop(0);
}
void *thread2(void *arg)
{
    while(1)
    {
        printf("thread2 is running
");
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
        printf("thread2 applied the condition
");
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(1);
    }
}
int main()
{
    pthread_t thid1,thid2;
    printf("condition variable study!
");
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    pthread_cond_init(&cond, NULL);
    pthread_create(&thid1, NULL, thread1, NULL);
    pthread_create(&thid2, NULL, thread2, NULL);
    sleep(1);
    do
    {
        pthread_cond_signal(&cond);
    }while(1);
    sleep(20);
    pthread_exit(0);
    return 0;
}

#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
static pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
static pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
struct node
{
    int n_number;
    struct node *n_next;
}*head = NULL;

static void cleanup_handler(void *arg)
{
    printf("Cleanup handler of second thread./n");
    free(arg);
    (void)pthread_mutex_unlock(&mtx);
}
static void *thread_func(void *arg)
{
    struct node *p = NULL;
    pthread_cleanup_push(cleanup_handler, p);
    while (1)
    {
        //这个mutex主要是用来保证pthread_cond_wait的并发性
        pthread_mutex_lock(&mtx);
        while (head == NULL)
        {
            //这个while要特别说明一下，单个pthread_cond_wait功能很完善，为何
            //这里要有一个while (head == NULL)呢？因为pthread_cond_wait里的线
            //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。
            //这个时候，应该让线程继续进入pthread_cond_wait
            // pthread_cond_wait会先解除之前的pthread_mutex_lock锁定的mtx，
            //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
            //而被唤醒，唤醒后，该进程会先锁定先pthread_mutex_lock(&mtx);，再读取资源
            //用这个流程是比较清楚的
            pthread_cond_wait(&cond, &mtx);
            p = head;
            head = head->n_next;
            printf("Got %d from front of queue/n", p->n_number);
            free(p);
        }
        pthread_mutex_unlock(&mtx); //临界区数据操作完毕，释放互斥锁
    }
    pthread_cleanup_pop(0);
    return 0;
}
int main(void)
{
    pthread_t tid;
    int i;
    struct node *p;
    //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
    //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
    pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
    sleep(1);
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        p = (struct node*)malloc(sizeof(struct node));
        p->n_number = i;
        pthread_mutex_lock(&mtx); //需要操作head这个临界资源，先加锁，
        p->n_next = head;
        head = p;
        pthread_cond_signal(&cond);
        pthread_mutex_unlock(&mtx); //解锁
        sleep(1);
    }
    printf("thread 1 wanna end the line.So cancel thread 2./n");
    //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
    //线程，而在我们的代码里，最近的取消点肯定就是pthread_cond_wait()了。
    pthread_cancel(tid);
    pthread_join(tid, NULL);
    printf("All done -- exiting/n");
    return 0;
}

三、信号量(sem)

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。

1. 信号量初始化。
   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。
2. 等待信号量。给信号量减1，然后等待直到信号量的值大于0。
   int sem_wait(sem_t *sem);
3. 释放信号量。信号量值加1。并通知其他等待线程。
   int sem_post(sem_t *sem);
4. 销毁信号量。我们用完信号量后都它进行清理。归还占有的一切资源。
   int sem_destroy(sem_t *sem);

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <errno.h>
#define return_if_fail(p) if((p) == 0){printf ("[%s]:func error!/n", __func__);return;}
typedef struct _PrivInfo
{
    sem_t s1;
    sem_t s2;
    time_t end_time;
}PrivInfo;

static void info_init (PrivInfo* thiz);
static void info_destroy (PrivInfo* thiz);
static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz);
static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz);

int main (int argc, char** argv)
{
    pthread_t pt_1 = 0;
    pthread_t pt_2 = 0;
    int ret = 0;
    PrivInfo* thiz = NULL;
    thiz = (PrivInfo* )malloc (sizeof (PrivInfo));
    if (thiz == NULL)
    {
        printf ("[%s]: Failed to malloc priv./n");
        return -1;
    }
    info_init (thiz);
    ret = pthread_create (&pt_1, NULL, (void*)pthread_func_1, thiz);
    if (ret != 0)
    {
        perror ("pthread_1_create:");
    }
    ret = pthread_create (&pt_2, NULL, (void*)pthread_func_2, thiz);
    if (ret != 0)
    {
        perror ("pthread_2_create:");
    }
    pthread_join (pt_1, NULL);
    pthread_join (pt_2, NULL);
    info_destroy (thiz);
    return 0;
}
static void info_init (PrivInfo* thiz)
{
    return_if_fail (thiz != NULL);
    thiz->end_time = time(NULL) + 10;
    sem_init (&thiz->s1, 0, 1);
    sem_init (&thiz->s2, 0, 0);
    return;
}
static void info_destroy (PrivInfo* thiz)
{
    return_if_fail (thiz != NULL);
    sem_destroy (&thiz->s1);
    sem_destroy (&thiz->s2);
    free (thiz);
    thiz = NULL;
    return;
}
static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz)
{
    return_if_fail(thiz != NULL);
    while (time(NULL) < thiz->end_time)
    {
        sem_wait (&thiz->s2);
        printf ("pthread1: pthread1 get the lock./n");
        sem_post (&thiz->s1);
        printf ("pthread1: pthread1 unlock/n");
        sleep (1);
    }
    return;
}
static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz)
{
    return_if_fail (thiz != NULL);
    while (time (NULL) < thiz->end_time)
    {
        sem_wait (&thiz->s1);
        printf ("pthread2: pthread2 get the unlock./n");
        sem_post (&thiz->s2);
        printf ("pthread2: pthread2 unlock./n");
        sleep (1);
    }
    return;
}