《UNIX网络编程 卷1》 笔记： 互斥锁与条件变量

考虑下两个线程同时对同一个全局变量i（初始值为0）进行自增操作（i++）会发生什么情况。C编译器将自增运算符转换成三条机器指令：从内存装载到寄存器、递增寄存器、从寄存器存储到内存。可能发生如下情况：

  1. 线程A运行，把变量i的值0装载到一个寄存器。

  2. 内核调度模块决定运行线程B，此时线程A的寄存器被保存，B的寄存器被恢复。

  3. 线程B执行完自增操作的三条指令后，把新值1存储到变量i。

  4. 内核调度模块调度线程A运行，线程A的寄存器被恢复，从恢复前执行指令的地方（第二条指令）继续执行，把寄存器的值递增为1，然后存储到变量i。

最终变量i的值是1而不是2，这是错误运行的结果。

这个问题也就是我们上节说的“同步”问题。出现这种问题的原因是因为多个线程可以并发地（或并行地）运行且访问相同的变量。

注意：并发和并行是两个不同的概念。并发是指两个线程同时在运行，而并行是指两线程的运行时间有重叠（比如说在单CPU系统上，有两个线程A和B需要运行3秒钟，A先运行2秒钟，然后B运行3秒钟结束，最后A运行1秒钟结束，我们说A和B是并行地运行）。

为了解决这个问题，我们使用互斥锁保护这个全局变量：多个线程要访问这个变量，必须先获取互斥锁，如果锁被其他线程占用，则只能阻塞等待锁被释放。变量访问之后要释放锁。互斥锁的数据类型是pthread_mutex_t，linux提供的互斥锁API如下：

#include <pthread.h>

/*获取锁*/
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

/*释放锁*/
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_trylock函数与pthread_mutex_lock函数的区别是pthread_mutex_trylock函数获取不到锁时立即返回而不阻塞。

使用互斥锁保护全局变量i的代码如下：

pthread_mutex_t lock;

pthread_mutex_lock(&lock);
i++;
Pthread_mutex_unlock(&lock);

互斥锁用于防止多个线程同时访问某个变量，但我们还需要在等待某个条件（事件）发生时能让我们进入睡眠的机制。如果没有这个机制，线程在等待一个条件发生期间只能轮询，这显然非常浪费CPU资源。条件变量加上互斥锁就能实现这种机制。条件变量的类型是pthread_cond_t,linux提供的条件变量API如下：

#include <pthread.h>

/*等待一个条件变量，线程进入睡眠状态*/
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,
pthread_mutex_t *restrict mutex);
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,
pthread_mutex_t *restrict mutex,
const struct timespec *restrict abstime);

/*唤醒等待在条件变量上的一个线程*/
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
/*唤醒等待在条件变量上的所有线程*/
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

举个例子，我们使用一个全局变量flag标志一个事件是否发生。线程A测试flag如果为0，表明事件未发生则睡眠等待。线程B产生这个事件然后将flag标志置1，唤醒线程A。为此我们定义了以下三个变量：

int flag;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t  cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

线程A使用如下的代码等待事件发生：

pthread_mutex_lock(&mutex);
while (flag == 0)
pthread_cond_wait(&cond, &mutex); /*睡眠等待事件发生*/
/*下一步的动作*/
pthread_mutex_unlock(&mutex);

线程B使用如下的代码产生事件并唤醒线程A：

/*某个事件发生*/
pthread_mutex_lock(&mutex);
flag = 1;
pthread_cond_signal(&cond); /*唤醒线程A*/
pthread_mutex_unlock(&mutex);

条件变量总是和一个表示“条件”的全局变量关联，在此例中即是flag变量，flag值为0表明条件不成立（事件还未发生）。全局变量总是需要互斥锁保护，因此互斥锁和条件变量经常一起使用。这也解释了为什么pthread_cond_wait函数的两个参数一个是条件变量一个是互斥锁。

另外，由于测试条件之前总是先加锁，所以当条件不成立时pthread_cond_wait函数必须先解锁，然后把调用线程投入睡眠。当线程被唤醒时，它又再次加锁，然后返回。

下一节我们使用多线程实现web客户程序。