linux 互斥锁和条件变量

为什么有条件变量？

请参看一个线程等待某种事件发生

注意：本文是linux c版本的条件变量和互斥锁(mutex)，不是C++的。

mutex ： mutual exclusion(相互排斥)

1，互斥锁的初始化，有以下2种方式。

• 调用方法的初始化：互斥锁是用malloc动态分配，或者分配在内存共享区的时候使用。
• 不调用方法的初始化：静态分配的时候使用。

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

• 返回值：成功0；失败errno

2，互斥锁的销毁

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

• 返回值：成功0；失败errno

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

3，加锁和解锁

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

• pthread_mutex_lock：加锁。如果是没有加锁的状态，则加锁并返回不阻塞。如果是已经被加锁的状态，这阻塞在这里，并一直等待，直到解锁。
• pthread_mutex_trylock：尝试去加锁。如果是没有加锁的状态，则加锁并返回不阻塞。果是已经被加锁的状态，则不阻塞，立即返回，返回值为EBUSY。

4，条件变量的2个函数

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

• pthread_cond_wait：

  • 调用此函数时点的处理：

    1，给互斥锁解锁。

    2，把调用此函数的线程投入睡眠，直到另外某个线程就本条件变量调用pthread_cond_signal。

  • 被唤醒后的处理：返回前重新给互斥锁加锁。

• pthread_cond_signal：唤醒调用pthread_cond_wait函数的线程

条件变量通常用于生产者和消费者模式。

什么是生成者和消费者模式？

版本1：所有生产者线程是并行执行的，消费者线程是等待所有的生产者线性执行结束后，消费者线程才开始执行。

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

#define MAXITEM  100000000
#define MAXTHREAD  100
#define min(x,y) ( x>y?y:x )

int nitem;

struct {
  pthread_mutex_t mutex;
  int buf[MAXITEM];
  int idx;
  int val;
}shared = {
  PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER
};

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

int main(int argc, char** argv){
  int i;
  int nthreads;
  int count[MAXTHREAD];

  pthread_t tid_produce[MAXTHREAD], tid_consume;

  if(argc != 3){
    printf("arg error
");
    return 1;
  }

  nitem = min(MAXITEM,atoi(argv[1]));
  nthreads = min(MAXTHREAD, atoi(argv[2]));

  for(i = 0; i < nthreads; ++i){
    count[i] = 0;
    pthread_create(&tid_produce[i], NULL, produce, &count[i]);
  }

  for(i = 0; i < nthreads; ++i){
    pthread_join(tid_produce[i], NULL);
    printf("cout[%d] = %d
", i, count[i]);
  }

  pthread_create(&tid_consume, NULL, consume, NULL);
  pthread_join(tid_consume, NULL);

  return 0;
}

void* produce(void* arg){
  while(1){
    pthread_mutex_lock(&shared.mutex);
    if(shared.idx >= nitem){
      pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
      return NULL;
    }
    shared.buf[shared.idx] = shared.val;
    shared.idx++;
    shared.val++;
    pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
    *((int*)arg) +=1;
  }
}

void* consume(void* arg){
  int i;
  for(i = 0; i < nitem; ++i){
    if(shared.buf[i] != i){
      printf("buf[%d] = %d
", i, shared.buf[i]);
    }
  }
}

版本2：所有生产者线程和消费者线程都是并行执行的。这时会有个问题，就是消费者线程被先执行的情况下，生产者线程还没有生产数据，这时消费者线程就只能循环给互斥锁解锁又上锁。这成为轮转（spinning)或者轮询(polling)，是一种多CPU时间的浪费。我们也可以睡眠很短的一段时间，但是不知道睡多久。这时，条件变量就登场了。

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

#define MAXITEM  100000000
#define MAXTHREAD  100
#define min(x,y) ( x>y?y:x )

int nitem;

struct {
  pthread_mutex_t mutex;
  int buf[MAXITEM];
  int idx;
  int val;
}shared = {
  PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER
};

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

int main(int argc, char** argv){
  int i;
  int nthreads;
  int count[MAXTHREAD];

  pthread_t tid_produce[MAXTHREAD], tid_consume;

  if(argc != 3){
    printf("arg error
");
    return 1;
  }

  nitem = min(MAXITEM,atoi(argv[1]));
  nthreads = min(MAXTHREAD, atoi(argv[2]));

  for(i = 0; i < nthreads; ++i){
    count[i] = 0;
    pthread_create(&tid_produce[i], NULL, produce, &count[i]);
  }
  pthread_create(&tid_consume, NULL, consume, NULL);
  
  for(i = 0; i < nthreads; ++i){
    pthread_join(tid_produce[i], NULL);
    printf("cout[%d] = %d
", i, count[i]);
  }
  pthread_join(tid_consume, NULL);

  return 0;
}

void* produce(void* arg){
  while(1){
    pthread_mutex_lock(&shared.mutex);
    if(shared.idx >= nitem){
      pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
      return NULL;
    }
    shared.buf[shared.idx] = shared.val;
    shared.idx++;
    shared.val++;
    pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
    *((int*)arg) +=1;
  }
}

void consume_wait(int i){
  while(1){
    pthread_mutex_lock(&shared.mutex);
    if(i < shared.idx){
      pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
      return;
    }
    pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
  }
}

void* consume(void* arg){
  int i;
  for(i = 0; i < nitem; ++i){
    consume_wait(i);
    if(shared.buf[i] != i){
      printf("buf[%d] = %d
", i, shared.buf[i]);
    }
  }
  return NULL;
}

版本3：所有生产者线程和消费者线程都是并行执行的。解决版本2的轮询问题。使用条件变量。

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

#define MAXITEM  100000000
#define MAXTHREAD  100
#define min(x,y) ( x>y?y:x )

int nitem;
int buf[MAXITEM];

struct {
  pthread_mutex_t mutex;
  int idx;
  int val;
} shared = {
  PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER
};

struct {
  pthread_mutex_t mutex;
  pthread_cond_t  cond;
  int nready;
} nready = {
  PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER,
  PTHREAD_COND_INITIALIZER
};

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

int main(int argc, char** argv){
  int i;
  int nthreads;
  int count[MAXTHREAD];

  pthread_t tid_produce[MAXTHREAD], tid_consume;

  if(argc != 3){
    printf("arg error
");
    return 1;
  }

  nitem = min(MAXITEM,atoi(argv[1]));
  nthreads = min(MAXTHREAD, atoi(argv[2]));

  for(i = 0; i < nthreads; ++i){
    count[i] = 0;
    pthread_create(&tid_produce[i], NULL, produce, &count[i]);
  }
  pthread_create(&tid_consume, NULL, consume, NULL);
  
  for(i = 0; i < nthreads; ++i){
    pthread_join(tid_produce[i], NULL);
    printf("cout[%d] = %d
", i, count[i]);
  }
  pthread_join(tid_consume, NULL);

  return 0;
}

void* produce(void* arg){
  while(1){
    pthread_mutex_lock(&shared.mutex);
    if(shared.idx >= nitem){
      pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
      return NULL;
    }
    buf[shared.idx] = shared.val;
    shared.idx++;
    shared.val++;
    pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);

    pthread_mutex_lock(&nready.mutex);
    if(nready.nready == 0){
      pthread_cond_signal(&nready.cond);//--------------②
    }
    nready.nready++;
    pthread_mutex_unlock(&nready.mutex);//--------------③

    *((int*) arg) += 1;
  }
}

void* consume(void* arg){
  int i;
  for(i = 0; i < nitem; ++i){
    pthread_mutex_lock(&nready.mutex);
    while(nready.nready == 0){//--------------①
      pthread_cond_wait(&nready.cond, &nready.mutex);
    }
    nready.nready--;
    pthread_mutex_unlock(&nready.mutex);

    if(buf[i] != i){
      printf("buf[%d] = %d
", i, buf[i]);
    }
  }
  printf("buf[%d] = %d
", nitem-1, buf[nitem-1]);
}

关于互斥锁和条件变量的最佳实践：

1，把要多个线程共享的数据定义和互斥锁定义在一个结构体里。

2，把条件变量，互斥锁，和临界条件定义在一个结构体里。

3，在①的地方，最后不要用if，理由是，pthread_cond_wait返回后，有可能另一个消费者线程把它消费掉了，所以要再次测试相应的条件成立与否，防止发生虚假的(spurious)唤醒。各种线程都应该试图最大限度减少这些虚假唤醒，但是仍有可能发生。

4，注意②处的代码pthread_cond_signal，设想一下最坏的情况，调用该函数后，另外一个等待的线程立即被唤醒，所以被唤醒的pthread_cond_wait函数要立即加锁，但是调用pthread_cond_signal函数的线程还没有执行到③处的pthread_mutex_unlock，所以被唤醒的线程又立即终止了。所以为了避免这种情况发生，把②处的代码pthread_cond_signal放在③处的下一行。

参考下面的伪代码：

int flag;    
pthread_mutex_lock(&nready.mutex);
int = nready.nready == 0);
nready.nready++;
pthread_mutex_unlock(&nready.mutex);

if(flag){
  pthread_cond_signal(&nready.cond);
}

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