条件变量和互斥锁的使用

Posted 2021-04-24 ITstudying and learning

    条件变量是线程间共享全局变量进行同步的一种机制，主要包括两个动作：一个线程等待“条件变量成立”而挂起，另一个线程“使条件成立”（给出条件成立信号）。为了防止竞争，条件变量总是和互斥锁一起使用。
    条件变量和互斥锁都有创建和注销，等待和激发的过程。
    创建：
    条件变量和互斥锁一样，都有静态和动态两种创建方式，静态方式使用PTHREAD_COND_INITIALIZER常量，如下：
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
动态方式调用pthread_cond_init()函数，API定义如下：
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond,pthread_condattr_t *cond_attr);尽管POSIX标准中位条件变量定义了属性，但是在LinuxThreads中没有实现，因此cond_attr值通常为Null，且被忽略。
    等待：
    等待有两种方式，条件等待和计时等待，
条件等待：int pthread_cond_wait(pthread_cond_t*cond, pthread_mutex_t *mutex);
计时等待：int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex,const struct timespec *abstime);
在给定的时刻前条件没有满足，则返回TIMEOUT，等待结束；其中abstime与time()系统调用的相同意义的绝对时间出现。0代表格林尼治时间1970年1月1日0时0分0秒。
    无论哪种等待方式，都必须和一个互斥锁配合使用，以防止多个线程同时请求pthread_cond_wait()或pthread_cond_timewait()而产生的竞争条件，即RaceCondition。mutex互斥锁必须是普通锁（PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP）或者适应锁（PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP），且在调用pthread_cond_wait()前必须由本线程加锁（pthread_mutex_lock()），而在更新条件等待队列以前，mutex保持锁定状态，并在线程挂起进入等待前解锁。在条件满足从而离开pthread_cond_wait()之前，mutex将被重新加锁，以与进入pthread_cond_wait()前的加锁动作对应。阻塞时处于解锁状态。

    激发条件有两种形式，pthread_cond_signal()激活一个等待该条件的线程，存在多个等待线程时按入队顺序激活其中一个；而pthread_cond_broadcast()则激活所有等待线程。

典型示例：

#include<pthread.h>
#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
#include<string.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; /*[thread_func]*/
 
/*释放节点内存*/
static void cleanup_handler(void*arg) {
    printf("Clean up 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);
 
    pthread_mutex_lock(&mtx);
    //这个mutex_lock主要是用来保护wait等待临界时期的情况，
    //当在wait为放入队列时，这时，已经存在Head条件等待激活
    //的条件，此时可能会漏掉这种处理
    //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
    while(1) {
        while(head==NULL) {
            pthread_cond_wait(&cond,&mtx);
        }
        //pthread_cond_wait会先解除之前的pthread_mutex_lock锁定的mtx，
        //然后阻塞在等待队列里休眠，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
        /*block-->unlock-->wait()return-->lock*/
        p=head;
        head=head->n_next;
        printf("Got%dfromfrontofqueue\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;
    pthread_create(&tid,NULL,thread_func,NULL);
    //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
    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("thread1wannaendthecancelthread2.\n");
    pthread_cancel(tid);
    //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_join(tid,NULL);
    printf("Alldone--exiting\n");
    return 0;
}