Linux C 多线程编程之互斥锁与条件变量实例详解

Posted 2021-04-21 嵌入式ARM

一、互斥锁

互斥量从本质上说就是一把锁, 提供对共享资源的保护访问。

1. 初始化:

在Linux下, 线程的互斥量数据类型是pthread_mutex_t. 在使用前, 要对它进行初始化:

　　对于静态分配的互斥量, 可以把它设置为PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER, 或者调用pthread_mutex_init.

　　对于动态分配的互斥量, 在申请内存(malloc)之后, 通过pthread_mutex_init进行初始化, 并且在释放内存(free)前需要调用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);

头文件:

返回值: 成功则返回0, 出错则返回错误编号.

说明: 如果使用默认的属性初始化互斥量, 只需把attr设为NULL. 其他值在以后讲解。

2. 互斥操作:

　　对共享资源的访问, 要对互斥量进行加锁, 如果互斥量已经上了锁, 调用线程会阻塞, 直到互斥量被解锁. 在完成了对共享资源的访问后, 要对互斥量进行解锁。

首先说一下加锁函数:

头文件:

原型:　

　int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

　　int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

　　返回值: 成功则返回0, 出错则返回错误编号.

　　说明: 具体说一下trylock函数, 这个函数是非阻塞调用模式, 也就是说, 如果互斥量没被锁住, trylock函数将把互斥量加锁, 并获得对共享资源的访问权限; 如果互斥量被锁住了, trylock函数将不会阻塞等待而直接返回EBUSY, 表示共享资源处于忙状态。

再说一下解所函数:

头文件:

　　原型: 

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

　　返回值: 成功则返回0, 出错则返回错误编号.

3. 死锁:

　　死锁主要发生在有多个依赖锁存在时, 会在一个线程试图以与另一个线程相反顺序锁住互斥量时发生. 如何避免死锁是使用互斥量应该格外注意的东西。

　　总体来讲, 有几个不成文的基本原则:

　　对共享资源操作前一定要获得锁。

　　完成操作以后一定要释放锁。

　　尽量短时间地占用锁。

　　如果有多锁, 如获得顺序是ABC连环扣, 释放顺序也应该是ABC。

　　线程错误返回时应该释放它所获得的锁。

下面给个测试小程序进一步了解互斥，mutex互斥信号量锁住的不是一个变量，而是阻塞住一段程序。如果对一个mutex变量testlock, 执行了第一次pthread_mutex_lock(testlock)之后，在unlock(testlock)之前的这段时间内，如果有其他线程也执行到了pthread_mutex_lock(testlock)，这个线程就会阻塞住，直到之前的线程unlock之后才能执行，由此，实现同步，也就达到保护临界区资源的目的。

#

include<stdio.h>
#include<pthread.h>

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); //更加明显的观察到是否执行了创建线程的互斥锁
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

结果：

Main lock 
Main unlock 
thread Test()

二、条件变量

这里主要说说 pthread_cond_wait()的用法，在下面有说明。

条件变量是利用线程间共享的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"条件变量的条件成立"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，条件变量的使用总是和一个互斥锁结合在一起。   
    
1．   创建和注销   

条件变量和互斥锁一样，都有静态动态两种创建方式，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标准中为条件变量定义了属性，但在LinuxThreads中没有实现，因此cond_attr值通常为NULL，且被忽略。   

注销一个条件变量需要调用pthread_cond_destroy()，只有在没有线程在该条件变量上等待的时候才能注销这个条件变量，否则返回EBUSY。因为Linux实现的条件变量没有分配什么资源，所以注销动作只包括检查是否有等待线程。API定义如下：     
int   pthread_cond_destroy(pthread_cond_t   *cond)     

2．   等待和激发   

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)     

等待条件有两种方式：无条件等待pthread_cond_wait()和计时等待pthread_cond_timedwait()，其中计时等待方式如果在给定时刻前条件没有满足，则返回ETIMEOUT，结束等待，其中abstime以与time()系统调用相同意义的绝对时间形式出现，0表示格林尼治时间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，以防止多个线程同时请求pthread_cond_wait()（或pthread_cond_timedwait()，下同）的竞争条件（Race   Condition）。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。   执行pthread_cond_wait()时自动解锁互斥量(如同执行了 pthread_unlock_mutex)，并等待条件变量触发。这时线程挂起，不占用 CPU 时间，直到条件变量被触发。

因此，全过程可以描述为：

（1）pthread_mutex_lock()上锁，

（2）pthread_cond_wait()等待，等待过程分解为为：解锁--条件满足--加锁

（3）pthread_mutex_unlock()解锁。  

 
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。 两者 如果没有等待的线程，则什么也不做。

下面一位童鞋问的问题解释了上面的说明：

当pthread_cond_t调用pthread_cond_wait进入等待状态时,pthread_mutex_t互斥信号无效了.

示例代码如下:

//多线程同步--条件锁(相当与windows的事件)测试

//要先让pthread_cond_wait进入等待信号状态,才能调用pthread_cond_signal发送信号,才有效.

//不能让pthread_cond_signal在pthread_cond_wait前面执行

#include <stdio.h>

#include<pthread.h> //多线程所用头文件

#include <semaphore.h> //信号量使用头文件

pthread_cond_t g_cond /*=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER*/; //申明条锁,并用宏进行初始化

pthread_mutex_t g_mutex ;

//线程执行函数

void threadFun1(void)

{

int i;

pthread_mutex_lock(&g_mutex); //1

pthread_cond_wait(&g_cond,&g_mutex); //如g_cond无信号,则阻塞

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; //线程的标识符

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); //互斥变量初始化

int i,ret;

ret = pthread_create(&id1,NULL,(void *)threadFun1, NULL);

if ( ret!=0 ) { //不为0说明线程创建失败

printf ("Create pthread1 error!\n");

exit (1);

}

sleep(5); //等待子线程先开始

pthread_mutex_lock(&g_mutex); //2

pthread_cond_signal(&g_cond); //给个开始信号,注意这里要先等子线程进入等待状态在发信号,否则无效

pthread_mutex_unlock(&g_mutex);

pthread_join(id1,NULL);

pthread_cond_destroy(&g_cond); //释放

pthread_mutex_destroy(&g_mutex); //释放

return 0;

}

大家请看红颜色的1和2.

明明是1先锁了互斥变量,但代码执行到2还是一样可以锁定.

为什么会这样呢????/

pthread_cond_wait()什么情况才会接锁,继续跑下去啊...现在来看一段典型的应用：看注释即可。

问题解释：当程序进入pthread_cond_wait等待后，将会把g_mutex进行解锁，当离开pthread_cond_wait之前，g_mutex会重新加锁。所以在main中的g_mutex会被加锁。 呵呵。。。

现在来看一段典型的应用：看注释即可。

#include <pthread.h>    
#include <unistd.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]*/    
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);           //这个mutex主要是用来保证pthread_cond_wait的并发性   
while (head == NULL)   {               //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   
pthread_cond_wait(&cond, &mtx);         // pthread_cond_wait会先解除之前的pthread_mutex_lock锁定的mtx，然后阻塞在等待对列里休眠，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*/

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
#include <pthread.h>

#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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