线程同步之条件锁

Posted 2023-03-29

参考技术A 条件变量（Condition Variable）是一种同步工具，允许线程暂停执行、进入休眠，直到某些共享资源满足条件。条件变量基本操作如下：

条件锁体现的是一种协作，一个线程完成后通知其他线程开始执行。Condition variable 必须和 mutex 关联，以避免竞争条件。一个线程获取锁后发现条件不满足，暂停线程执行进行等待，其他线程这时可以获取锁，条件满足后，向条件发出信号。

条件锁可用于生产者、消费者模式中状态同步：

当消费者发现没有数据时，等待 condition 变为1。生产者生产了新数据，condition 变为1，通知消费者。

这篇文章将介绍三种条件锁： pthread_cond_t 、 NSCondition 和 NSConditionLock 。

前面两篇文章已介绍过 pthread_mutex_t 和 pthread_mutexattr_t ，这里需额外使用 pthread_cond_t 。

使用 pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr) 初始化条件变量 cond，cond_attr 指定的 condition attribute。如果 cond_attr 为 nil，则使用默认属性。 pthread_cond_t 也可以使用PTHREAD_COND_INITIALIZER常量静态初始化。

如下所示：

pthread_cond_signal() 和 pthread_cond_broadcast() 函数用于解除堵塞在条件变量上的线程。

如果多个线程堵塞在 cond，调度器决定唤醒哪个线程。使用 pthread_cond_signal() 、 pthread_cond_broadcast() 唤醒线程后，从 pthread_cond_wait() 和 pthread_cond_timedwait() 返回的线程会尝试持有 mutex。如果没有线程等待 cond，则什么也不发生。

pthread_cond_wait() 和 pthread_cond_timedwait() 函数用于堵塞条件变量。需先使用同一线程锁定 mutex，否则会导致无法预期结果。

解锁 mutex 与在条件变量处挂起线程是原子操作。线程先获取 mutex、后 signal 条件变量，可以避免线程在加锁后、等待条件变量前被唤醒。线程被挂起后不再占用 CPU 时间，直到 signal 条件变量。成功返回后，mutex 被该线程持有。

多个 mutex 并发使用同一个 condition variable 会产生无法预期的结果。也就是当线程等待 condition variable 时， cond 就绑定到了该 mutex。等待结束时，绑定关系终止。

pthread_cond_timedwait() 与 pthread_cond_wait() 类似，只是如果指定时间后还没有 signal、broadcast，就返回错误。

pthread_cond_destroy() 销毁指定cond，销毁后对象成为未初始化状态。销毁后的对象可以使用 pthread_cond_init() 再次初始化，其他方式使用已销毁的对象会产生无法预期的结果。

NSCondition 类是对 pthread_mutex_t 和 pthread_cond_t 的封装，为面向对象的类。 NSCondition 类遵守 NSLocking 协议。

初始化方法如下：

GNUstep 中实现如下：

signal() 一次唤醒一个线程，可以多次调用唤醒多个线程。 broadcast() 一次唤醒多个线程。

如果没有线程等待cond，则不执行任何操作。为避免竞争条件，应只在 condtion 锁定时调用。

GNUstep 中实现如下：

堵塞当前线程，直到 signal 或到达指定时间。必须先 lock NSCondition 再调用该方法。

GNUstep 中实现如下：

NSConditionLock 类是对 pthread_mutex_t 和 pthread_cond_t 的封装，为面向对象的类，方。 NSConditionLock 类遵守 NSLocking 协议。

NSConditionLock 有一个关联值，即condition。在初始化 NSConditionLock 或释放锁时设置。线程会等待锁，直到其为特定值，等待期间不会占用 CPU 时间。借助 NSConditionLock condition值可以实现依赖项，使其按次序执行。

初始化方法如下：

GNUstep 中实现如下：

当 NSConditionLock 的condition值与 lock(whenCondition:) 参数的值相同时，加锁成功，否则会堵塞在当前位置。

GNUstep 中实现如下：

释放锁，并设置 condition 值。

现在，上述三个方法按顺序执行。

GNUstep 中实现如下：

Demo名称：Synchronization
源码地址： https://github.com/pro648/BasicDemos-ios/tree/master/Synchronization

参考资料：

欢迎更多指正： https://github.com/pro648/tips

本文地址： https://github.com/pro648/tips/blob/master/sources/线程同步之条件锁.md

多线程之线程同步（互斥锁信号量条件变量和读写锁​）

前言

多线程编程的时候经常会发生公共资源被抢夺而造成问题。

通常将“多个线程同时访问某一公共资源”的现象称为“线程间产生了资源竞争”或者“线程间抢夺公共资源”，线程间竞争资源往往会导致程序的运行结果出现异常，感到匪夷所思，严重时还会导致程序运行崩溃。

幸运地是，Linux 提供了很多种解决方案，确定各个线程可以同步访问进程提供的公共资源（简称“线程同步”）。所谓线程同步，简单地理解就是：当一个线程访问某公共资源时，其它线程不得访问该资源，它们只能等待此线程访问完成后，再逐个访问该资源。

Linux线程同步的解决方案

Linux 环境中，实现线程同步的常用方法有 4 种，分别称为互斥锁、信号量、条件变量和读写锁​。

互斥锁（Mutex）又称互斥量或者互斥体，是最简单也最有效地一种线程同步机制。互斥锁的用法和实际生活中的锁非常类似，当一个线程访问公共资源时，会及时地“锁上”该资源，阻止其它线程访问；访问结束后再进行“解锁”操作，将该资源让给其它线程访问。

信号量又称“信号灯”，主要用于控制同时访问公共资源的线程数量，当线程数量控制在 ≤1 时，该信号量又称二元信号量，功能和互斥锁非常类似；当线程数量控制在 N（≥2）个时，该信号量又称多元信号量，指的是同一时刻最多只能有 N 个线程访问该资源。

条件变量的功能类似于实际生活中的门，门有“打开”和“关闭”两种状态，分别对应条件变量的“成立”状态和“不成立”状态。当条件变量“