APUE------线程同步

线程同步

如果每个线程使用的变量都是其他线程不会读取和修改的，那么就不存在一致性问题。同样，如果变量是只读的，多个线程同时读取该变量也不会有一致性问题。但是，当一个线程可以修改的变量，其他线程也可以读取或者修改的时候，我们就需要对着线程进行同步。

为了解决这个问题，线程不得不使用锁。

互斥量

互斥量使用pthread_mutex_t数据类型表示的，在使用互斥变量之前，必须首先对它进行初始化，可以把它设置为常量PTHREAD——MUTEX——INITIALIZER（静态），也可以通过调用pthread_mutex_init函数进行初始化。如果动态分配互斥量，在释放内存前需要调用pthread_mutex_destroy。

#include <pthread.h>
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,
const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
//两个函数的返回值：若成功，返回0;否则，返回错误编号

要用默认的属性初始化互斥量，把attr设为NULL。

对互斥量进行加锁解锁需要以下函数

#include <pthread.h>
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
//所有函数的返回值：若成功，返回0;否则，返回错误编号

如果线程不希望被阻塞，它可以使用pthread_mutex_trylock尝试对互斥量进行加锁。如果调用pthread_mutex_trylock时互斥量处于未锁住状态，那么pthread_mutex_trylock将锁住互斥量，不会出现阻塞直接返回0，否则pthread_mutex_trylock就会失败。不能锁住互斥量，返回EBUSY。

避免死锁

如果线程试图对同一个互斥量加锁两次，那么它自身就会陷入死锁状态。但是使用互斥量时，还有其他不太明显的方式也能产生死锁。例如，程序中使用一个以上的互斥量时，如果允许一个线程一直占有第一个互斥量，并且试图锁住第二个互斥量时处于阻塞状态，但是拥有第二个互斥量的线程也在试图锁住第一个互斥量。因为两个线程都在相互请求另一个线程拥有的资源，所以这两个线程都无法向前运行，于是就产生死锁。

函数pthread_mutex_timelock

pthread_mutex_timelock函数与pthread_mutex_lock是基本等价的，但是在达到超时时间值时，前者不会对互斥量进行加锁，而是返回错误码ETIMEDOUT。

#include <pthread.h>
#include <time.h>
int pthread_mutex_timelock(pthread_mutex *restrict mutex，
const struct timespec *restrict tsptr);
//返回值：若成功，返回0;否则，返回错误编号

超时指定愿意等待的绝对时间。

读写锁

读写锁(read-writer lock)与互斥量类似，不过读写锁允许更高的并行性。

与互斥量相比，读写锁在使用前必须初始化，在释放它们底层的内存之前必须销毁。

#include <pthread.h>
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,
const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);
int pthread_rwlock_destory(pthread_rwlock_t *rwlock);
//两个函数的返回值：若成功，返回0;否则，返回错误编号

如果希望读写锁有默认的属性，可以传一个null指针给attr。

在释放读写所占用的内存之前，需要调用pthread_rwlock_destory做清理工作。

#include <pthread.h>
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
//所有函数的返回值：若成功，返回0;否则，返回错误编号

Single UNIX Specification还定义雷读写锁原语的条件版本。

#include <pthread.h>
int pthread_rwlock_trylock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_trylcok(pthread_rwlock_t *rwlock);
//两个函数的返回值：若成功，返回0;否则，返回错误编码

可以获取时，这两个函数返回0。否则，它们返回错误EBUSY。

带有超时的读写锁

使应用程序在获取读写锁时避免陷入永久阻塞状态。

#include <pthread.h>
#include <time.h>
int pthread_rwlock_timedrdlock(
pthread_rwlock_t *restrict rwlock,
const struct timespec *restrict tsptr);
int pthread_rwlock_timedwrlock(
pthread_rwlock_t *restrict rwlock,
const struct timespec *restrict tsptr);
//两个函数的返回值：若成功，返回0;否则，返回错误编号

条件变量

条件变量是线程可用的另一种同步机制。条件变量与互斥量一起使用，允许线程以无竞争的方式等待特定的条件发生。

条件变量本身是由互斥量保护的。线程在改变条件状态之前必须首先锁住互斥量。其他线程在获得互斥量之前不会察觉到这种改变。

在使用条件变量之前，必须先对它进行初始化。由pthread_cond_t数据类型表示的条件变量可以两种方式进行初始化，可以把常量PTHREAD_COND_INITIALIZER赋给静态分配的条件变量，但是如果条件变量是动态分配的，则需要使用pthread_cond_init函数对它进行初始化。

#include <pthread.h>
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,
const pthread_condattr_t *restrict attr);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
//两个函数的返回值：若成功，返回0;否则，返回错误编号

创建一个默认属性的条件变量 参数attr参数可以设置为NULL。

我们使用pthread_cond_wait等待条件变量变为真。如果在给定的时间内条件不能满足，那么会生成一个返回错误码的变量。

#include <pthread.h>
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,
pthread_mutex_t *restrict mutex);
int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t *restrict cond,
pthread_mutex_t *restrict mutex,
const struct timespec *restrict tsptr);
//两个函数的返回值：若成功，返回0;否则，返回错误编号

有两个函数可以用于通知线程条件已经满足。pthread_cond_signal函数至少能唤醒一个等待该条件的线程，而pthread_cond_broadcast函数则能唤醒等待该条件的所有线程。

#include <pthread.h>
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
//两个函数的返回值:若成功，返回0;否则，返回错误编号

在调用pthread_cond_signal或者pthread_cond_broadcast时，我们说这是在给线程或者条件发信号。必须注意，一定要在改变条件状态以后再给线程发信号。

自旋锁

自旋锁与互斥量类似，但它不是通过休眠使进程阻塞，而是在获取锁之前一直处于忙等（自旋）阻塞状态。自旋锁可用于以下情况：锁被持有的时间端短，而且线程并不希望在重新调度上话费太多的成本。

自旋锁通常作为底层原语用于实现其他类型的锁。

自旋锁的接口与互斥量的接口类似

#include <pthread.h>
int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t *lock, int pshared);
int pthread_spin_destroy(pthread_spinlock_t *lock);
//两个函数的返回值：若成功，返回0;否则，返回错误编号

int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t *lock);
int pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t *lock);
int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t *lock);
//所有函数的返回值：若成功，返回0;否则，返回错误编号

需要注意，不要调用在持有自旋锁情况下可能会进入休眠状态的函数。如果调用了这些函数，会浪费CPU资源，因为其他线程需要获取自旋锁需要等待的时间就延长了。

屏障

屏障（barrier）是用户协调多个线程并行工作的同步机制。屏障允许每个线程等待，直到所有的合作线程都到达某一点，然后从该点继续执行。

#include <pthread.h>
int pthread_barrier_init(pthread_barrier_t *restrict barrier,
const pthread_barrierattr_t *restrict attr,
unsigned int count);
int pthread_barrier_destory(pthread_barrier_t *barrier);
//两个函数的返回值：若成功，返回0;否则，返回错误编号

初始化屏障时，可以使用count参数指定，在允许所有线程继续运行之前，必须到达屏障的线程数目。使用attr参数指定屏障对象的属性，默认为NULL。

可以使用pthread_barrier_wait函数来表明，线程已完成工作，准备等所有其他线程赶上来。

#include <pthread.h>
int pthread_barrier_wait(pthread_barrier_t *barrier);
//返回值：若成功，返回0或者pPTHREAD_BARRIER_SERIAL_THREAD;否则，返回错误编号

调用pthread_barrier_wait的线程在屏障计数为满足条件时，会进入休眠状态。

对于一个任意线程，返回PTHREAD_BARRIER_SERIAL_THREAD，其他发挥0，则这个可以作为主线程。