Linux C 多線程編程之互斥鎖與條件變量實(shí)例詳解
一、互斥鎖
互斥量從本質(zhì)上說(shuō)就是一把鎖, 提供對(duì)共享資源的保護(hù)訪問(wèn)。
1. 初始化:
在Linux下, 線程的互斥量數(shù)據(jù)類型是pthread_mutex_t. 在使用前, 要對(duì)它進(jìn)行初始化:
對(duì)于靜態(tài)分配的互斥量, 可以把它設(shè)置為PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER, 或者調(diào)用pthread_mutex_init.
對(duì)于動(dòng)態(tài)分配的互斥量, 在申請(qǐng)內(nèi)存(malloc)之后, 通過(guò)pthread_mutex_init進(jìn)行初始化, 并且在釋放內(nèi)存(free)前需要調(diào)用pthread_mutex_destroy.
原型:
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restric attr);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
頭文件:
返回值: 成功則返回0, 出錯(cuò)則返回錯(cuò)誤編號(hào).
說(shuō)明: 如果使用默認(rèn)的屬性初始化互斥量, 只需把a(bǔ)ttr設(shè)為NULL. 其他值在以后講解。
2. 互斥操作:
對(duì)共享資源的訪問(wèn), 要對(duì)互斥量進(jìn)行加鎖, 如果互斥量已經(jīng)上了鎖, 調(diào)用線程會(huì)阻塞, 直到互斥量被解鎖. 在完成了對(duì)共享資源的訪問(wèn)后, 要對(duì)互斥量進(jìn)行解鎖。
首先說(shuō)一下加鎖函數(shù):
頭文件:
原型:
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
返回值: 成功則返回0, 出錯(cuò)則返回錯(cuò)誤編號(hào).
說(shuō)明: 具體說(shuō)一下trylock函數(shù), 這個(gè)函數(shù)是非阻塞調(diào)用模式, 也就是說(shuō), 如果互斥量沒(méi)被鎖住, trylock函數(shù)將把互斥量加鎖, 并獲得對(duì)共享資源的訪問(wèn)權(quán)限; 如果互斥量被鎖住了, trylock函數(shù)將不會(huì)阻塞等待而直接返回EBUSY, 表示共享資源處于忙狀態(tài)。
再說(shuō)一下解所函數(shù):
頭文件:
原型:
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
返回值: 成功則返回0, 出錯(cuò)則返回錯(cuò)誤編號(hào).
3. 死鎖:
死鎖主要發(fā)生在有多個(gè)依賴鎖存在時(shí), 會(huì)在一個(gè)線程試圖以與另一個(gè)線程相反順序鎖住互斥量時(shí)發(fā)生. 如何避免死鎖是使用互斥量應(yīng)該格外注意的東西。
總體來(lái)講, 有幾個(gè)不成文的基本原則:
對(duì)共享資源操作前一定要獲得鎖。
完成操作以后一定要釋放鎖。
盡量短時(shí)間地占用鎖。
如果有多鎖, 如獲得順序是ABC連環(huán)扣, 釋放順序也應(yīng)該是ABC。
線程錯(cuò)誤返回時(shí)應(yīng)該釋放它所獲得的鎖。
下面給個(gè)測(cè)試小程序進(jìn)一步了解互斥，mutex互斥信號(hào)量鎖住的不是一個(gè)變量，而是阻塞住一段程序。如果對(duì)一個(gè)mutex變量testlock, 執(zhí)行了第一次pthread_mutex_lock(testlock)之后，在unlock(testlock)之前的這段時(shí)間內(nèi)，如果有其他線程也執(zhí)行到了pthread_mutex_lock(testlock)，這個(gè)線程就會(huì)阻塞住，直到之前的線程unlock之后才能執(zhí)行，由此，實(shí)現(xiàn)同步，也就達(dá)到保護(hù)臨界區(qū)資源的目的。
#
include
#include
static pthread_mutex_t testlock;
pthread_t test_thread;
void *test()
{
pthread_mutex_lock(&testlock);
printf("thread Test() \n");
pthread_mutex_unlock(&testlock);
}
int main()
{
pthread_mutex_init(&testlock, NULL);
pthread_mutex_lock(&testlock);
printf("Main lock \n");
pthread_create(&test_thread, NULL, test, NULL);
sleep(1); //更加明顯的觀察到是否執(zhí)行了創(chuàng)建線程的互斥鎖
printf("Main unlock \n");
pthread_mutex_unlock(&testlock);
sleep(1);
pthread_join(test_thread,NULL);
pthread_mutex_destroy(&testlock);
return 0;
}
make
gcc -D_REENTRANT -lpthread -o test test.c
結(jié)果：
Main lock
Main unlock
thread Test()
二、條件變量
這里主要說(shuō)說(shuō) pthread_cond_wait()的用法，在下面有說(shuō)明。
條件變量是利用線程間共享的全局變量進(jìn)行同步的一種機(jī)制，主要包括兩個(gè)動(dòng)作：一個(gè)線程等待"條件變量的條件成立"而掛起;另一個(gè)線程使"條件成立"(給出條件成立信號(hào))。為了防止競(jìng)爭(zhēng)，條件變量的使用總是和一個(gè)互斥鎖結(jié)合在一起。
1. 創(chuàng)建和注銷
條件變量和互斥鎖一樣，都有靜態(tài)動(dòng)態(tài)兩種創(chuàng)建方式，靜態(tài)方式使用PTHREAD_COND_INITIALIZER常量，如下：
pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER
動(dòng)態(tài)方式調(diào)用pthread_cond_init()函數(shù)，API定義如下：
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr)
盡管POSIX標(biāo)準(zhǔn)中為條件變量定義了屬性，但在LinuxThreads中沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，因此cond_attr值通常為NULL，且被忽略。
注銷一個(gè)條件變量需要調(diào)用pthread_cond_destroy()，只有在沒(méi)有線程在該條件變量上等待的時(shí)候才能注銷這個(gè)條件變量，否則返回EBUSY。因?yàn)長(zhǎng)inux實(shí)現(xiàn)的條件變量沒(méi)有分配什么資源，所以注銷動(dòng)作只包括檢查是否有等待線程。API定義如下：
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond)
2. 等待和激發(fā)
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)
等待條件有兩種方式：無(wú)條件等待pthread_cond_wait()和計(jì)時(shí)等待pthread_cond_timedwait()，其中計(jì)時(shí)等待方式如果在給定時(shí)刻前條件沒(méi)有滿足，則返回ETIMEOUT，結(jié)束等待，其中abstime以與time()系統(tǒng)調(diào)用相同意義的絕對(duì)時(shí)間形式出現(xiàn)，0表示格林尼治時(shí)間1970年1月1日0時(shí)0分0秒。
無(wú)論哪種等待方式，都必須和一個(gè)互斥鎖配合，以防止多個(gè)線程同時(shí)請(qǐng)求pthread_cond_wait()(或pthread_cond_timedwait()，下同)的競(jìng)爭(zhēng)條件(Race Condition)。mutex互斥鎖必須是普通鎖(PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP)或者適應(yīng)鎖(PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP)，且在調(diào)用pthread_cond_wait()前必須由本線程加鎖(pthread_mutex_lock())，而在更新條件等待隊(duì)列以前，mutex保持鎖定狀態(tài)，并在線程掛起進(jìn)入等待前解鎖。在條件滿足從而離開(kāi)pthread_cond_wait()之前，mutex將被重新加鎖，以與進(jìn)入pthread_cond_wait()前的加鎖動(dòng)作對(duì)應(yīng)。 執(zhí)行pthread_cond_wait()時(shí)自動(dòng)解鎖互斥量(如同執(zhí)行了 pthread_unlock_mutex)，并等待條件變量觸發(fā)。這時(shí)線程掛起，不占用 CPU 時(shí)間，直到條件變量被觸發(fā)。
因此，全過(guò)程可以描述為：
(1)pthread_mutex_lock()上鎖，
(2)pthread_cond_wait()等待，等待過(guò)程分解為為：解鎖--條件滿足--加鎖
(3)pthread_mutex_unlock()解鎖。
激發(fā)條件有兩種形式，pthread_cond_signal()激活一個(gè)等待該條件的線程，存在多個(gè)等待線程時(shí)按入隊(duì)順序激活其中一個(gè);而pthread_cond_broadcast()則激活所有等待線程。 兩者 如果沒(méi)有等待的線程，則什么也不做。
下面一位童鞋問(wèn)的問(wèn)題解釋了上面的說(shuō)明：
當(dāng)pthread_cond_t調(diào)用pthread_cond_wait進(jìn)入等待狀態(tài)時(shí),pthread_mutex_t互斥信號(hào)無(wú)效了.
示例代碼如下:
//多線程同步--條件鎖(相當(dāng)與windows的事件)測(cè)試
//要先讓pthread_cond_wait進(jìn)入等待信號(hào)狀態(tài),才能調(diào)用pthread_cond_signal發(fā)送信號(hào),才有效.
//不能讓pthread_cond_signal在pthread_cond_wait前面執(zhí)行
#include
#include
#include
pthread_cond_t g_cond /*=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER*/; //申明條鎖,并用宏進(jìn)行初始化
pthread_mutex_t g_mutex ;
//線程執(zhí)行函數(shù)
void threadFun1(void)
{
int i;
pthread_mutex_lock(&g_mutex); //1
pthread_cond_wait(&g_cond,&g_mutex); //如g_cond無(wú)信號(hào),則阻塞
for( i = 0;i < 2; i++ ){
printf("thread threadFun1.\n");
sleep(1);
}
pthread_cond_signal(&g_cond);
pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
}
int main(void)
{
pthread_t id1; //線程的標(biāo)識(shí)符
pthread_t id2;
pthread_cond_init(&g_cond,NULL); //也可以程序里面初始化
pthread_mutex_init(&g_mutex,NULL); //互斥變量初始化
int i,ret;
ret = pthread_create(&id1,NULL,(void *)threadFun1, NULL);
if ( ret!=0 ) { //不為0說(shuō)明線程創(chuàng)建失敗
printf ("Create pthread1 error!\n");
exit (1);
}
sleep(5); //等待子線程先開(kāi)始
pthread_mutex_lock(&g_mutex); //2
pthread_cond_signal(&g_cond); //給個(gè)開(kāi)始信號(hào),注意這里要先等子線程進(jìn)入等待狀態(tài)在發(fā)信號(hào),否則無(wú)效
pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
pthread_join(id1,NULL);
pthread_cond_destroy(&g_cond); //釋放
pthread_mutex_destroy(&g_mutex); //釋放
return 0;
}
大家請(qǐng)看紅顏色的1和2.
明明是1先鎖了互斥變量,但代碼執(zhí)行到2還是一樣可以鎖定.
為什么會(huì)這樣呢????/
pthread_cond_wait()什么情況才會(huì)接鎖,繼續(xù)跑下去啊...現(xiàn)在來(lái)看一段典型的應(yīng)用：看注釋即可。
問(wèn)題解釋：當(dāng)程序進(jìn)入pthread_cond_wait等待后，將會(huì)把g_mutex進(jìn)行解鎖，當(dāng)離開(kāi)pthread_cond_wait之前，g_mutex會(huì)重新加鎖。所以在main中的g_mutex會(huì)被加鎖。 呵呵。。。
現(xiàn)在來(lái)看一段典型的應(yīng)用：看注釋即可。
#include
#include
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;
/*[thread_func]*/
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) {
pthread_mutex_lock(&mtx); //這個(gè)mutex主要是用來(lái)保證pthread_cond_wait的并發(fā)性
while (head == NULL) { //這個(gè)while要特別說(shuō)明一下，單個(gè)pthread_cond_wait功能很完善，為何這里要有一個(gè)while (head == NULL)呢?因?yàn)閜thread_cond_wait里的線程可能會(huì)被意外喚醒，如果這個(gè)時(shí)候head != NULL，則不是我們想要的情況。這個(gè)時(shí)候，應(yīng)該讓線程繼續(xù)進(jìn)入pthread_cond_wait
pthread_cond_wait(&cond, &mtx); // pthread_cond_wait會(huì)先解除之前的pthread_mutex_lock鎖定的mtx，然后阻塞在等待對(duì)列里休眠，直到再次被喚醒(大多數(shù)情況下是等待的條件成立而被喚醒，喚醒后，該進(jìn)程會(huì)先鎖定先pthread_mutex_lock(&mtx);，再讀取資源， 用這個(gè)流程是比較清楚的/*block-->unlock-->wait() return-->lock*/
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define min(a,b) ((a) < (b) ? (a) : (b))
#define max(a,b) ((a) > (b) ? (a) : (b))
#define MAXNITEMS 1000000
#define MAXNTHREADS 100
int nitems; /* read-only by producer and consumer */
struct {
pthread_mutex_t mutex;
int buff[MAXNITEMS];
int nput;
int nval;
} shared = { PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER };
void *produce(void *), *consume(void *);
/* include main */
int
main(int argc, char **argv)
{
int i, nthreads, count[MAXNTHREADS];
pthread_t tid_produce[MAXNTHREADS], tid_consume;
if (argc != 3) {
printf("usage: prodcons3 <#items> <#threads>\n");
return -1;
}
nitems = min(atoi(argv[1]), MAXNITEMS);
nthreads = min(atoi(argv[2]), MAXNTHREADS);
/* 4create all producers and one consumer */
for (i = 0; i < nthreads; i++) {
count[i] = 0;
pthread_create(&tid_produce[i], NULL, produce, &count[i]);
}
pthread_create(&tid_consume, NULL, consume, NULL);
/* 4wait for all producers and the consumer */
for (i = 0; i < nthreads; i++) {
pthread_join(tid_produce[i], NULL);
printf("count[%d] = %d\n", i, count[i]);
}
pthread_join(tid_consume, NULL);
exit(0);
}
/* end main */
void *
produce(void *arg)
{
for ( ; ; ) {
pthread_mutex_lock(&shared.mutex);
if (shared.nput >= nitems) {
pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
return(NULL); /* array is full, we're done */
}
shared.buff[shared.nput] = shared.nval;
shared.nput++;
shared.nval++;
pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
*((int *) arg) += 1;
}
}
/* include consume */
void
consume_wait(int i)
{
for ( ; ; ) {
pthread_mutex_lock(&shared.mutex);
if (i < shared.nput) {
pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
return; /* an item is ready */
}
pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
}
}
void *
consume(void *arg)
{
int i;
for (i = 0; i < nitems; i++) {
consume_wait(i);
if (shared.buff[i] != i)
printf("buff[%d] = %d\n", i, shared.buff[i]);
}
return(NULL);
}
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