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线程的同步与互斥

2012-07-04 23:00 246 查看

相交进程之间的关系主要有两种，同步与互斥。所谓互斥，是指散步在不同进程之间的若干程序片断，当某个进程运行其中一个程序片段时，其它进程就不能运行它们之中的任一程序片段，只能等到该进程运行完这个程序片段后才可以运行。所谓同步，是指散步在不同进程之间的若干程序片断，它们的运行必须严格按照规定的某种先后次序来运行，这种先后次序依赖于要完成的特定的任务。
　　显然，同步是一种更为复杂的互斥，而互斥是一种特殊的同步。

　　也就是说互斥是两个线程之间不可以同时运行，他们会相互排斥，必须等待一个线程运行完毕，另一个才能运行，而同步也是不能同时运行，但他是必须要安照某种次序来运行相应的线程（也是一种互斥）！

　　总结：互斥：是指某一资源同时只允许一个访问者对其进行访问，具有唯一性和排它性。但互斥无法限制访问者对资源的访问顺序，即访问是无序的。

　　同步：是指在互斥的基础上（大多数情况），通过其它机制实现访问者对资源的有序访问。在大多数情况下，同步已经实现了互斥，特别是所有写入资源的情况必定是互斥的。少数情况是指可以允许多个访问者同时访问资源

================================================7.04

同步方法：

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,constpthread_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_tmutex=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

#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

　　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_tcond=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

　　#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\n");

　　pthread_mutex_lock(&mutex);

　　pthread_cond_wait(&cond,&mutex);

　　printf("thread1 applied the condition\n");

　　pthread_mutex_unlock(&mutex);

　　sleep(4);

　　}

　　pthread_cleanup_pop(0);

　　}

　　void *thread2(void *arg)

　　{

　　while(1)

　　{

　　printf("thread2 is running\n");

　　pthread_mutex_lock(&mutex);

　　pthread_cond_wait(&cond,&mutex);

　　printf("thread2 applied the condition\n");

　　pthread_mutex_unlock(&mutex);

　　sleep(1);

　　}

　　}

　　int main()

　　{

　　pthread_t thid1,thid2;

　　printf("condition variable study!\n");

　　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;

　　}

　　示例程序2：

　　#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;

　　}

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 intvalue);

　　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：

　　#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;

　　}

　　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

消息队列是消息的链表，存放在内核中并有消息队列标示符标示。

　　msgget用于创建一个新队列或打开一个现存的队列。msgsnd将新消息加入到消息队列中；每个消息包括一个long型的type；和消息缓存；msgrcv用于从队列中取出消息；取消息很智能，不一定先进先出

　　①msgget，创建一个新队列或打开一个现有队列

　　#include <sys/msg.h>

　　int msgget ( key_t key, int flag )；

　　//成功返回消息队列ID；错误返回-1

　　②msgsnd: 发送消息

　　#include <sys/msg.h>

　　int msgsnd( int msgid, const void* ptr, size_t nbytes, int flag )

　　//成功返回0，错误返回-1

　　a: flag可以指定为IPC_NOWAIT; 若消息队列已满，则msgsnd立即出错返回EABAIN；

　　若没指定IPC_NOWAIT； msgsnd会阻塞，直到消息队列有空间为止

　　③msgrcv: 读取消息：

　　ssize_t msgrcv( int msgid, void* ptr, size_t nbytes, long type, int flag );

　　a. type == 0; 返回消息队列中第一个消息，先进先出

　　b. type > 0 返回消息队列中类型为tpye的第一个消息

　　c. type < 0 返回消息队列中类型 <= |type| 的数据；若这种消息有若干个，则取类型值最小的消息

　　消息队列创建步骤：

　　#define MSG_FILE "."

　　struct msgtype {

　　long mtype;

　　char buffer[BUFFER+1];

　　};

　　if((key=ftok(MSG_FILE,'a'))==-1)

　　{

　　fprintf(stderr,"Creat Key Error:%s\n", strerror(errno));

　　exit(1);

　　}

　　if((msgid=msgget(key, IPC_CREAT | 0666/*PERM*/))==-1)

　　{

　　fprintf(stderr,"Creat Message Error:%s\n", strerror(errno));

　　exit(1);

　　}

　　msg.mtype = 1;

　　strncpy(msg.buffer, argv[1], BUFFER);

　　msgsnd(msgid, &msg, sizeof(struct msgtype), 0);

　　msgrcv(msgid, &msg, sizeof(struct msgtype), 1, 0);

示例代码：

　　#include <stdio.h>

　　#include <stdlib.h>

　　#include <string.h>

　　#include <errno.h>

　　#include <sys/types.h>

　　#include <sys/ipc.h>

　　#include <sys/msg.h>

　　#include <sys/stat.h>

　　#include <pthread.h>

　　#define   MSG_FILE "."

　　#define   BUFFER 255

　　#define   PERM S_IRUSR|S_IWUSR

　　#define IPCKEY 0x111

　　struct msgtype {

　　long mtype;

　　char buffer[BUFFER+1];

　　};

　　void* thr_test( void* arg ){

　　struct msgtype msg;

　　int msgid;

　　msgid =  *((int*)arg);

　　printf("msqid = %d  IPC_NOWAIT = %d\n", msgid, IPC_NOWAIT);

　　time_t tt = time(0)+8;

　　//while( time(0) <= tt )

　//{

　　msgrcv(msgid, &msg, sizeof(struct msgtype), 1, 0);

　　fprintf(stderr,"Server Receive:%s\n", msg.buffer);

　　msg.mtype = 2;

　　msgsnd(msgid, &msg, sizeof(struct msgtype), 0);

　　//}

　　pthread_exit( (void*)2 );

　　}

　　int main(int argc, char **argv)

　　{

　　struct msgtype msg;

　　key_t key;

　　int msgid;

　　pthread_t tid;

　　if(argc != 2)

　　{

　　fprintf(stderr,"Usage:%s string\n", argv[0]);

　　exit(1);

　　}

　　/*

　　char path[256];

　　sprintf( path, "%s/", (char*)getenv("HOME") );

　　printf( "path is %s\n", path );

　　msgid=ftok( path, IPCKEY );

　　*/

　　if((key=ftok(MSG_FILE,'a'))==-1)

　　{

　　fprintf(stderr,"Creat Key Error:%s\n", strerror(errno));

　　exit(1);

　　}

　　if((msgid=msgget(key, IPC_CREAT | 0666/*PERM*/))==-1)

　　{

　　fprintf(stderr,"Creat Message  Error:%s\n", strerror(errno));

　　exit(1);

　　}

　　pthread_create( &tid, NULL, thr_test, &msgid );

　　fprintf(stderr,"msid is :%d\n", msgid);

　　msg.mtype = 1;

　　strncpy(msg.buffer, argv[1], BUFFER);

　　msgsnd(msgid, &msg, sizeof(struct msgtype), 0);

　　exit(0);

　　}

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