Linux线程同步概述

对于多线程程序来说，同步(synchronization)是指在一定的时间内只允许某一个线程访问某个资源 。而在此时间内，不允许其它的线程访问该资源。我们可以通过互斥锁(mutex)，条件变量(condition variable)和读写锁(reader-writer lock)来同步资源。

互斥锁

互斥锁是一个特殊的变量，它有锁上(lock)和打开(unlock)两个状态。互斥锁一般被设置成全局变量。打开的互斥锁可以由某个线程获得。一旦获得，这个互斥锁会锁上，此后只有该线程有权打开。其它想要获得互斥锁的线程，会等待直到互斥锁再次打开的时候。

我们可以将互斥锁想像成为一个只能容纳一个人的洗手间，当某个人进入洗手间的时候，可以从里面将洗手间锁上。其它人只能在互斥锁外面等待那个人出来，才能进去。在外面等候的人并没有排队，谁先看到洗手间空了，就可以首先冲进去。

具体操作如下：

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);

第一个执行mutex_lock()的线程会先获得mu。其它想要获得mu的线程必须等待，直到第一个线程执行到mutex_unlock()释放mu，才可以获得mu，并继续执行线程。所以线程在mutex_lock()和mutex_unlock()之间的操作时，不会被其它线程影响，就构成了一个原子操作。

例1：

#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

条件变量

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。它也常常被保存为全局变量，并和互斥锁合作。

假设这样一个状况: 有100个工人，每人负责装修一个房间。当有10个房间装修完成的时候，老板就通知相应的十个工人一起去喝啤酒。

我们如何实现呢？老板让工人在装修好房间之后，去检查已经装修好的房间数。但多线程条件下，会有竞争条件的危险。也就是说，其他工人有可能会在该工人装修好房子和检查之间完成工作。采用条件变量。

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。

具体操作如下：

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);



例2：

#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;
}

#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;
}

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。

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);

例3：

#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;
}