Linux 同步方法

Linux 同步方法

并发和锁定

当存在并发特性时，必须使用同步方法。当在同一时间段出现两个或更多进程并且这些进程彼此交互（例如，共享相同的资源）时，就存在并发 现象。

在单处理器（uniprocessor，UP）主机上可能发生并发，在这种主机中多个线程共享同一个 CPU 并且抢占（preemption）创建竞态条件。抢占 通过临时中断一个线程以执行另一个线程的方式来实现 CPU 共享。竞态条件 发生在两个或更多线程操纵一个共享数据项时，其结果取决于执行的时间。在多处理器（MP）计算机中也存在并发，其中每个处理器中共享相同数据的线程同时执行。注意在 MP 情况下存在真正的并行（parallelism），因为线程是同时执行的。而在 UP 情形中，并行是通过抢占创建的。两种模式中实现并发都较为困难。

临界段概念是为解决竞态条件问题而产生的。一个临界段 是一段不允许多路访问的受保护的代码。这段代码可以操纵共享数据或共享服务（例如硬件外围设备）。临界段操作时坚持互斥锁（mutual exclusion）原则（当一个线程处于临界段中时，其他所有线程都不能进入临界段）。

临界段中需要解决的一个问题是死锁条件。考虑两个独立的临界段，各自保护不同的资源。每个资源拥有一个锁，在本例中称为 A 和 B。假设有两个线程需要访问这些资源，线程 X 获取了锁 A，线程 Y 获取了锁 B。当这些锁都被持有时，每个线程都试图占有其他线程当前持有的锁（线程 X 想要锁 B，线程 Y 想要锁 A）。这时候线程就被死锁了，因为它们都持有一个锁而且还想要其他锁。一个简单的解决方案就是总是按相同次序获取锁，从而使其中一个线程得以完成。还需要其他解决方案检测这种情形。表 1 定义了此处用到的一些重要的并发术语。

表 1. 并发中的重要定义
术语 定义
竞态条件 两个或更多线程同时操作资源时将会导致不一致的结果。
临界段 用于协调对共享资源的访问的代码段。
互斥锁 确保对共享资源进行排他访问的软件特性。
死锁 由两个或更多进程和资源锁导致的一种特殊情形，将会降低进程的工作效率。

Linux2.6 版内核中可用的锁定机制
1. 原子操作(atomic operator): 原子 意味着临界段被包含在 API 函数中。不需要额外的锁定，因为 API 函数已经包含了锁定。
它可以保护简单变量（计数器和位掩码（bitmask））。

2.自旋锁(spinlock): 自旋锁是使用忙等待锁来确保互斥锁的一种特殊方法。如果锁可用，则获取锁，执行互斥锁动作，然后释放锁。如果锁不可用，线程将忙等待该锁，直到其可用为止。忙等待看起来效率低下，但它实际上比将线程休眠然后当锁可用时将其唤醒要快得多。
自旋锁只在 SMP 系统中才有用，但是因为您的代码最终将会在 SMP 系统上运行，将它们添加到 UP 系统是个明智的做法。
自旋锁适合占用锁非常短的场合，避免等待锁的线程sleep而带来的CPU两个context switch的开销。

3.读/写锁（reader/writer lock）:在许多情形下，对数据的访问是由大量的读和少量的写操作来完成的（读取数据比写入数据更常见）。读/写锁的创建就是为了支持这种模型。这个模型有趣的地方在于允许多个线程同时访问相同数据，但同一时刻只允许一个线程写入数据。如果执行写操作的线程持有此锁，则临界段不能由其他线程读取。如果一个执行读操作的线程持有此锁，那么多个读线程都可以进入临界段。

4.内核互斥锁: 在内核中可以使用互斥锁来实现信号量行为。内核互斥锁是在原子 API 之上实现的，但这对于内核用户是不可见的。

http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-linux-synchronization.html

几种锁的性能比较(Windows操作系统下，第一种类似atomic_inc, 2,3类似spinlock, 4,5类似semaphore)

http://software.intel.com/en-us/articles/is-the-free-lunch-really-over-scalability-in-manycore-systems-part-2-using-locks-efficiently/





用户线程的同步方法
1. 互斥量(mutex), 有两种状态: lock和unlock, 它确保同一时间只有一个线程访问数据;
在Linux下, 线程的互斥量数据类型是pthread_mutex_t. 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. 在完成了对共享资源的访问后, 要对互斥量进行解锁.
死锁:
死锁主要发生在有多个依赖锁存在时, 会在一个线程试图以与另一个线程相反顺序锁住互斥量时发生. 如何避免死锁是使用互斥量应该格外注意的东西.
总体来讲, 有几个不成文的基本原则:
对共享资源操作前一定要获得锁.
完成操作以后一定要释放锁.
尽量短时间地占用锁.
如果有多锁, 如获得顺序是ABC连环扣, 释放顺序也应该是ABC.
线程错误返回时应该释放它所获得的锁.

2.读写锁(rwlock) 读加锁, 写加锁, 不加锁, 只有一个线程可以占有写模式的读写锁, 但是可以有多个线程同时占有读模式的读写锁.
当读写锁是写加锁状态时, 在这个锁被解锁之前, 所有试图对这个锁加锁的线程都会被阻塞.
当读写锁在读加锁状态时, 所有试图以读模式对它进行加锁的线程都可以得到访问权, 但是如果线程希望以写模式对此锁进行加锁, 它必须阻塞知道所有的线程释放锁.
通常, 当读写锁处于读模式锁住状态时, 如果有另外线程试图以写模式加锁, 读写锁通常会阻塞随后的读模式锁请求, 这样可以避免读模式锁长期占用, 而等待的写模式锁请求长期阻塞.
适用性:
读写锁适合于对数据结构的读次数比写次数多得多的情况. 因为, 读模式锁定时可以共享, 以写模式锁住时意味着独占, 所以读写锁又叫共享-独占锁.
pthread_rwlock_init pthread_rwlock_destroy

3.条件变量(cond) 给多个线程提供了一个会合的场所, 与互斥量一起使用时, 允许线程以无竞争的方式等待特定条件的发生.
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.

1. 初始化:

条件变量采用的数据类型是pthread_cond_t, 在使用之前必须要进行初始化, 这包括两种方式:

静态: 可以把常量PTHREAD_COND_INITIALIZER给静态分配的条件变量.
动态: pthread_cond_init函数, 是释放动态条件变量的内存空间之前, 要用pthread_cond_destroy对其进行清理.
#include <pthread.h>

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_condattr_t *restrict attr);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

成功则返回0, 出错则返回错误编号.
当pthread_cond_init的attr参数为NULL时, 会创建一个默认属性的条件变量; 非默认情况以后讨论.

2. 等待条件:

#include <pthread.h>

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restric mutex);
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict timeout);

成功则返回0, 出错则返回错误编号.
这两个函数分别是阻塞等待和超时等待.

等待条件函数等待条件变为真, 传递给pthread_cond_wait的互斥量对条件进行保护, 调用者把锁住的互斥量传递给函数. 函数把调用线程放到等待条件的线程列表上, 然后对互斥量解锁, 这两个操作是原子的. 这样便关闭了条件检查和线程进入休眠状态等待条件改变这两个操作之间的时间通道, 这样线程就不会错过条件的任何变化.

当pthread_cond_wait返回时, 互斥量再次被锁住.

3. 通知条件:

#include <pthread.h>

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

成功则返回0, 出错则返回错误编号.
这两个函数用于通知线程条件已经满足. 调用这两个函数, 也称向线程或条件发送信号. 必须注意, 一定要在改变条件状态以后再给线程发送信号.

http://blog.csdn.net/dai_weitao/archive/2007/08/22/1754964.aspx

互斥锁、条件变量,信号量 区别

临界区（Critical Section）
保证在某一时刻只有一个线程能访问数据的简便办法。在任意时刻只允许一个线程对共享资源进行访问。如果有多个线程试图同时访问临界区，那么在有一个线程进入后其他所有试图访问此临界区的线程将被挂起，并一直持续到进入临界区的线程离开。临界区在被释放后，其他线程可以继续抢占，并以此达到用原子方式操作共享资源的目的。

信号量: semphore可用于进程间同步 信号允许多个线程同时使用共享资源，这与操作系统中的PV操作相同。它指出了同时访问共享资源的线程最大数目。它允许多个线程在同一时刻访问同一资源，但是需要限制在同一时刻访问此资源的最大线程数目。一般是将当前可用资源计数设置为最大资源计数，每增加一个线程对共享资源的访问，当前可用资源计数就会减1，只要当前可用资源计数是大于0的，就可以发出信号量信号。但是当前可用计数减小到0时则说明当前占用资源的线程数已经达到了所允许的最大数目，不能在允许其他线程的进入，此时的信号量信号将无法发出

。

互斥锁： mutex专门用于线程同步, 提供对共享资源的保护访问

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）。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。
在thread_cond_wait()之前,必须先lock相关联的mutex, 因为假如目标条件未满足,pthread_cond_wait()实际上会unlock该mutex, 然后block,在目标条件满足后再重新lock该mutex, 然后返回.
pthread_cond_wait atomically unlocks the mutex (as per
pthread_unlock_mutex) and waits for the condition variable cond to be
signaled. The thread execution is suspended and does not consume any
CPU time until the condition variable is signaled. The mutex must be
locked by the calling thread on entrance to pthread_cond_wait. Before
returning to the calling thread, pthread_cond_wait re-acquires mutex
(as per pthread_lock_mutex).

信号量用在多线程多任务同步的，一个线程完成了某一个动作就通过信号量告诉别的线程，别的线程再进行某些动作（大家都在semtake的时候，就阻塞在哪里）。

而互斥锁是用在多线程多任务互斥的，一个线程占用了某一个资源，那么别的线程就无法访问，直到这个线程unlock，其他的线程才开始可以利用这个资源。比如对全局变量的访问，有时要加锁，操作完了，在解锁。

本文来自: (www.91linux.com) 详细出处参考：http://www.91linux.com/html/article/program/cpp/20080619/12646.html