linux c 多线程编程--互斥锁与条件变量

下面给出一个小的测试程序进一步了解互斥，mutex互斥信号量锁住的不是一个变量，而是阻塞住一段程序。如果对一个mutex变量testlock执行了第一次pthread_mutex_lock(testlock)之后，在unlock(testlock)之前的这段时间内，如果有其它线程也执行到了pthread_mutex_lock（testlock）,这个线程就会被阻塞住，直到之前的线程unlock之后才能执行，由此，实现同步，也就达到了保护临界区域资源的作用。

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

static pthread_mutex_t testlock;
pthread_t test_thread;

void *test()
{
pthread_mutex_lock(&testlock);
printf("thread Test() ");
pthread_mutex_unlock(&testlock);
}

int main()
{
pthread_mutex_init(&testlock, NULL);
pthread_mutex_lock(&testlock); 

printf("Main lock ");

pthread_create(&test_thread, NULL, test, NULL);
sleep(1); //更加明显的观察到是否执行了创建线程的互斥锁
printf("Main unlock ");
pthread_mutex_unlock(&testlock); 

sleep(1);

pthread_join(test_thread,NULL); 
pthread_mutex_destroy(&testlock); 
return 0;
}

二、条件变量：

这里主要说说， pthread_cond_wait()的用法。

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：一个进程等待“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）。为了防止竞争，条件变量的使用总是和一个互斥锁结合在一起。

1、创建和注销：

条件变量和互斥锁一样，都有静态动态创建两种方式，

静态方式使用        PTHREAD_COND_INITIALIZER常量，如下：

pthread_cond_t cond PTHREAD_INITIALIZER;

动态方式使用　　  pthread_cond_init()函数，API定义如下：

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr)

尽管POSIX标准中为条件变量定义了属性，但在LINUXthreads中并没有实现，因此，cond_attr值通常是NULL，且被忽略。

注销一个条件变量需要调用pthread_cond_destroy()，只有在没有线程在该条件变量上等待的时候才能注销这个条件变量，否则返回EBUSY。因为linux实现的条件变量没有分配什么资源，所以注销动作只包括检查是否有等待线程。API定义如下：

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

2、等待和激发：

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)

等待条件有两种方式：无条件等待 pthread_cond_wait()和计时等待：pthread_cond_timedwait();其中计时等待方式如果在给定时刻前条件没有满足，则返回ETIMEOUT，结束等等待，其中abstime以与time（）系统调用相同意义的绝对时间形式出现，0 表示格里尼治时间

无论哪种等待方式，都必须有一个互斥锁相配合，以防止多个线程同时请求pthread_cond_wait()，的竞争条件。，mutex互斥锁必须是普通锁或者适应锁，

且在调用pthread_cond_wait()前必须由本线程加锁（pthread_mutex_lock()）,而在更新条件等待队列以前，mutex保持锁定状态，并在县城挂起进入等待前解锁。在条件满足从而离开pthread_cond_wait()时自动解锁互斥量（如同执行了pthread_unlock_mutex）,并等待条件触发。这时线程挂起，不占用cpu时间，直到条件变量被触发。

因此全过程可以描述为：

（1）pthread_mutex_lock()上锁

（2）pthread_cond_wait()等待，等待过程分解为：解锁--条件满足--加锁

（3）pthread_mutex_unlock()解锁

激发条件有两种方式：pthread_cond_signal()激活一个等待该条件的线程，存在多个等待线程时按入队顺序激活其中一个；而pthread_cond_broadcast()则激活所有等待线程。 两者 如果没有等待的线程，则什么也不做。

下面一位童鞋问的问题解释了上面的说明：

当pthread_cond_t 调用pthread_cond_wait 进入等待状态时，pthread_mutex_t 互斥信号就无效了。

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//多线程同步--条件锁(相当与windows的事件)测试  //要先让pthread_cond_wait进入等待信号状态,才能调用pthread_cond_signal发送信号,才有效.  //不能让pthread_cond_signal在pthread_cond_wait前面执行  #include <stdio.h>  #include<pthread.h> //多线程所用头文件  #include <semaphore.h> //信号量使用头文件  pthread_cond_t g_cond /*=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER*/; //申明条锁,并用宏进行初始化  pthread_mutex_t g_mutex ;  //线程执行函数  void threadFun1(void)  {  int i;  pthread_mutex_lock(&g_mutex); //1  pthread_cond_wait(&g_cond,&g_mutex); //如g_cond无信号,则阻塞  for( i = 0;i < 2; i++ ){  printf("thread threadFun1. ");  sleep(1);  }  pthread_cond_signal(&g_cond);  pthread_mutex_unlock(&g_mutex);  }  int main(void)  {  pthread_t id1; //线程的标识符  pthread_t id2;  pthread_cond_init(&g_cond,NULL); //也可以程序里面初始化  pthread_mutex_init(&g_mutex,NULL); //互斥变量初始化  int i,ret;  ret = pthread_create(&id1,NULL,(void *)threadFun1, NULL);  if ( ret!=0 ) { //不为0说明线程创建失败  printf ("Create pthread1 error! ");  exit (1);  }  sleep(5); //等待子线程先开始  pthread_mutex_lock(&g_mutex); //2  pthread_cond_signal(&g_cond); //给个开始信号,注意这里要先等子线程进入等待状态在发信号,否则无效  pthread_mutex_unlock(&g_mutex);  pthread_join(id1,NULL);  pthread_cond_destroy(&g_cond); //释放  pthread_mutex_destroy(&g_mutex); //释放  return 0;  }

明明是1先锁了互斥变量，但是代码执行到2还是一样可以锁定，为什么会这样？

pthread_cond_wait()什么情况下才会解锁，继续跑下去，看下面：

问题解释：

    当程序进入pthread_cond_wait等待后，将会把g_mutex进行解锁，当离开pthread_cond_wait()之前，g_mutex会重新枷锁。所以在main中的g——mutex会被加锁。

看下面代码：

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#include <pthread.h>    #include <unistd.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;      /*[thread_func]*/  static void cleanup_handler(void *arg)    {    printf("Cleanup handler of second thread. ");    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) {    pthread_mutex_lock(&mtx);           //这个mutex主要是用来保证pthread_cond_wait的并发性   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(&cond, &mtx);         // 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/*block-->unlock-->wait() return-->lock*/ #include <unistd.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <sys/errno.h> #include <sys/types.h> #include <signal.h> #include <pthread.h>   #define    min(a,b)    ((a) < (b) ? (a) : (b)) #define    max(a,b)    ((a) > (b) ? (a) : (b))   #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 *);   /* include main */ int main(int argc, char **argv) { int            i, nthreads, count[MAXNTHREADS]; pthread_t    tid_produce[MAXNTHREADS], tid_consume;   if (argc != 3) { printf("usage: prodcons3 <#items> <#threads> "); return -1; }   nitems = min(atoi(argv[1]), MAXNITEMS); nthreads = min(atoi(argv[2]), MAXNTHREADS);   /* 4create all producers and one consumer */   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);   /* 4wait for all producers and the consumer */ for (i = 0; i < nthreads; i++) { pthread_join(tid_produce[i], NULL); printf("count[%d] = %d ", i, count[i]);    } pthread_join(tid_consume, NULL);   exit(0); } /* end main */   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; } }   /* include consume */ void consume_wait(int i) { for ( ; ; ) { pthread_mutex_lock(&shared.mutex); if (i < shared.nput) { pthread_mutex_unlock(&shared.mutex); return;            /* an item is ready */ } pthread_mutex_unlock(&shared.mutex); } }   void * consume(void *arg) { int        i;   for (i = 0; i < nitems; i++) { consume_wait(i); if (shared.buff[i] != i) printf("buff[%d] = %d ", i, shared.buff[i]); } return(NULL); }