(转载)Linux 多线程条件变量同步

Posted 2020-09-19

条件变量是线程同步的另一种方式，实际上，条件变量是信号量的底层实现，这也就意味着，使用条件变量可以拥有更大的自由度，同时也就需要更加小心的进行同步操作。条件变量使用的条件本身是需要使用互斥量进行保护的，线程在改变条件状态之前必须首先锁住互斥量，其他线程在获得互斥量之前不会察觉到这种改变，因为互斥量必须在锁定之后才能计算条件。

模型

#include<pthread.h>
pthread_cond_t cond              //准备条件变量
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;     //初始化静态的条件变量
pthread_cond_init()         //初始化一个动态的条件变量
pthread_cond_wait()         //等待条件变量变为真
pthread_cond_timedwait()    //等待条件变量变为真，等待有时间限制。
pthread_cond_signal()       //至少唤醒一个等待该条件的线程
pthread_cond_broadcast()    //唤醒等待该条件的所有线程
pthread_cond_destroy()      //销毁一个条件变量

pthread_cond_init()

//初始化一个动态的条件变量
//成功返回0，失败返回error number
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);

cond:条件变量指针，这里使用了restrict关键字
attr:条件变量属性指针，默认属性赋NULL

pthread_cond_wait() / pthread_cond_timedwait()

//等待条件变量为真。收到pthread_cond_broadcast()或pthread_cond_signal()就唤醒
//成功返回0，失败返回error number
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);

条件变量的使在多线程的程序中，因为各个线程都可以访问大部分的进程资源，所以我们为了保证公有资源的使用是可以控制的，在一个线程开始使用公有资源之前要尝试获取互斥锁，在使用完毕之后要释放互斥锁，这样就能保证每个公共资源在一个时刻都只能被一个线程使用，在一定程度上得到了控制，但这并不能解决同步的问题，考虑如下两个线程：

Q=create_queue();
pthread_t mutex
//线程A，入队
while(1){
    lock(mutex);
    in_queue(Q);
    unlock(mutex);
}

//线程B，出队
while(1){
    lock(mutex);
    out_queue(Q);
    unlock(mutex);
}

上述代码可以实现两个线程的互斥，即同一时刻只有一个线程在使用公有资源-队列。但如果线程B获取了锁，但队列中是空的，它的out_queue()也就是没有意义的，所以我们这里更需要一种方法将两个线程进行同步：只有当队列中有数据的时候才进行出队。
我们设计这样一种逻辑：

//线程B，出队
while(1){
    lock(mutex);
    if(队列是空，线程不应该执行)｛
        释放锁；
        continue;
    ｝
    out_queue(Q);
    unlock(mutex);
}

这个程序就解决了上述的问题，即便线程B抢到了互斥锁，但是如果队列是空的，他就释放锁让两个线程重新抢锁，希望这次线程A能抢到并往里放一个数据。
但这个逻辑还有一个问题，就是多线程并发的问题，很有可能发生的一种情况是：线程B抢到了锁，发现没有数据，释放锁->线程A立即抢到了锁并往里放了一个数据->线程B执行continue，显然，这种情况下是不应该continue的，因为线程B想要的条件在释放锁之后立即就被满足了，它错过了条件。
So，我们想一种反过来的逻辑：

//线程B，出队
while(1){
    lock(mutex);
    if(队列是空，线程不应该执行)｛
        continue;
        释放锁；
    ｝
    out_queue(Q);
    unlock(mutex);
}

显然这种方法有个致命的问题：一旦continue了，线程B自己获得锁就没有被释放，这样线程A不可能抢到锁，而B继续加锁就会形成死锁！
Finaly，我们希望看到一个函数fcn，如果条件不满足，能同时释放锁+停止执行线程，如果条件满足，自己当时获得的锁还在

//线程B，出队
while(1){
    lock(mutex);
    fcn(当前线程不应该执行,mutex)     //if(当前线程不应该执行)｛释放锁“同时” continue；｝
    out_queue(Q);
    unlock(mutex);
}

OK,这个就是pthread_cond_wait()的原理了，只不过它把continue变成了"休眠"这种由OS负责的操作，可以大大的节约资源。
当然，线程执行的条件是很难当作参数传入一个函数的，POSIX多线程的模型使用系统提供的"条件变量"+"我们自己定义的具体条件" 来确定一个线程是否应该执行接下来的内容。"条件变量"只有真和假，所以一种典型的多线程同步的结构如下

//线程B，出队
while(1){
    lock(mutex);
    while(条件不满足)
        pthread_cond_wait(cond,mutex)
        //获得互斥锁可以同时保护while里的条件和cond的判断，二者总是用一把锁保护，并一同释放  
        //cond为假，就休眠同时释放锁，等待被cond为真唤醒，把自己获得的锁拿回来           
        //拿回自己的锁再检查线程执行条件，条件不满足继续循环，直到条件满足跳出循环
        //这个函数是带着"线程的执行条件为真"+"cond为真"走出循环的
        //这个函数返回后cond被重新设置为0
    out_queue(Q);
    unlock(mutex);
}

pthread_cond_braoadcast()/pthread_cond_signal()

//使条件变量为真并唤醒wait中的线程，前者唤醒所有wait的，后者唤醒一个
//成功返回0，失败返回error number
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

pthread_cond_destroy()

//销毁条件变量
//成功返回0，失败返回error number
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

例子-线程池

\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\//thread.h
#ifndef __THREAD_H__
#define __THREAD_H__
#define THREAD_NUM 3
#define TASK_NUM 100


typedef struct{//每个节点的封装格式，fcn是用户自定义函数，arg是用户自定义函数参数指针，保证通用性声明为void
    void* (*fcn)(void* arg);
    void* arg;
}task_t;
typedef struct{        //用户自定义函数的参数结构体
    int x;
}argfcn_t;

//#define LQ_DATA_T task_t*
#define LQ_DATA_T task_t

#endif  //__THREAD_H__
\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\//lqueue.c
#include"thread.h"
#include"lqueue.h"
#include<stdlib.h>
...
\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\//thread_pool.c
#include<stdio.h>   
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<pthread.h>
#include"thread.h"
#include"lqueue.h"

//互斥量和条件变量
pthread_mutex_t lock;
pthread_cond_t cond;


//全局的表
lqueue_t* Q;

//每个线程的任务,必须是这个形式的函数指针
void* do_task(void* p){   
    task_t data;
    int ret=0;
    while(1){
        pthread_mutex_lock(&lock);
        while(is_empty_lqueue(Q)){          //大家收到广播，因为延迟，可能醒了好几个，要判断一下是不是自己
            pthread_cond_wait(&cond,&lock);     //先抢到锁再醒
        }
        ret=out_lqueue(Q,&data);
        pthread_mutex_unlock(&lock);
        data.fcn(data.arg);
    }
}

//创建线程池
void create_pool(void){
    //初始化队列
    Q=create_lqueue();
    //初始化互斥量
    pthread_mutex_init(&lock,NULL);
    //初始化条件变量
    pthread_cond_init(&cond,NULL);
    int i=THREAD_NUM;
    pthread_t tid[THREAD_NUM];
    while(i--)
        pthread_create(&tid[i],NULL,do_task,NULL);
}



//准备函数
void* fcn(void* parg){                //用户自定义的需要线程执行的函数
    argfcn_t* i=(argfcn_t*)parg;
    printf("this is task1\n");
    printf("task1:%d\n",i->x);
}

//添加任务
void pool_add_task(void*(*pfcn)(void*parg),void*arg){
    task_t task;
    task.fcn=pfcn;
    task.arg=arg;

    in_lqueue(Q,task);
    pthread_cond_signal(&cond); //添加了一个任务，用signal更好
}

int main(int argc, const char *argv[])
{
    //创建线程池
    create_pool();

    //准备参数
    argfcn_t argfcn;
    argfcn.x=5;

    //添加任务
    pool_add_task(fcn,(void*)&argfcn);  
    pool_add_task(fcn,(void*)&argfcn);  
    pool_add_task(fcn,(void*)&argfcn);  
    pause();    
    return 0;
}