条件变量与互斥量

Posted 2021-01-05 ashen

　　看了很多文档，就简书说的最好。

　　关键词：

　　　　无竞争等待、同步机制（类似ABCABCABC）、条件变量不是锁、线程阻塞、pthread_cond_wait 我理解是一个动作。

 

概念

线程同步的方法有多种，互斥量、信号量、条件变量、读写锁等。互斥量在允许或阻塞对临界区的访问上是很有效的，线程是在对已加锁的互斥量加锁时发生阻塞；条件变量则允许线程由于一些未达到的条件而阻塞，此处的“条件”可以由用户来定义，在访问该条件时需要加锁（互斥量），如果条件没达到，线程将阻塞在该条件上。
条件变量特别适用于多个线程等待某个条件的发生。如果不使用条件变量，那么每个线程就需要不断尝试获得互斥锁并检查条件是否发生，这样大大浪费了系统的资源。

条件变量与互斥量通常一起使用，原因是线程在因条件未满足而阻塞并等待前，需要访问“条件”，而“条件”是允许其它线程修改的，因此，访问“条件”时需要加锁，访问结束后释放锁。所以，这也就可以解释，条件变量的等待操作pthread_cond_wait()需要一个互斥量参数，在pthread_cond_wait()内部将调用线程放到等待队列上后，要解锁互斥量，以让其它线程可以访问“条件”；否则，该线程将一直占用互斥量，其它线程将不能访问“条件”。不过，pthread_cond_wait()内的解锁互斥量只是临时的，在其它线程修改“条件”使其满足要求并唤醒当前阻塞线程时，pthread_cond_wait()内部又会锁住互斥量，这样做的目的是：

1. 使互斥量的状态在进入、退出pthread_cond_wait()函数时保持一致；
2. 本身“判断‘条件’是否满足要求，否则阻塞并等待‘条件’”这部分程序属于临界区，在访问临界区前对互斥量加锁，退出临界区后对互斥量解锁是应有的操作，也就是说，真正地释放互斥量锁的操作在退出临界区后；所以，在pthread_cond_wait()函数结束时，应保持互斥量的加锁状态；

通常，“判断‘条件’是否满足要求，否则阻塞并等待‘条件’”这部分临界区代码中的“判断‘条件’”采用while循环来做，因为pthread_cond_wait()在阻塞并等待的过程中，“条件”满足要求后，其它线程会调用pthread_cond_signal()或pthread_cond_broadcast()唤醒阻塞线程，在pthread_cond_wait()将其从阻塞队列放到就绪队列及pthread_cond_wait()重新获取互斥锁之间，其它线程有可能又改变了“条件”，使得此时的“条件”已不再满足要求；因此，若不采用while()循环判断“条件”是否成立，在阻塞线程被唤醒之后，它以为“条件”满足要求，实际上已经被其它线程修改了。

当其它线程修改了“条件”使之满足要求后，会调用pthread_cond_signal()或pthread_cond_broadcast()发送信号，发送信号的步骤顺序有两种：

• 顺序一
  1. 调用pthread_mutex_lock()对互斥量加锁；
  2. 改变条件使之满足要求；
  3. 向阻塞并等待条件的线程发送信号（比如调用pthread_cond_broadcast()）；
  4. 调用pthread_mutex_unlock()对互斥量解锁；
• 顺序二
  1. 调用pthread_mutex_lock()对互斥量加锁；
  2. 改变条件使之满足要求；
  3. 调用pthread_mutex_unlock()对互斥量解锁；
  4. 向阻塞并等待条件的线程发送信号（比如调用pthread_cond_broadcast()）；

这两种步骤顺序都可以，但都存在一些不足。在顺序一中，发送条件成立信号的步骤在对互斥量解锁之前，也就是发送线程仍是占有锁的，当阻塞线程收到信号后结束休眠，但pthread_cond_wait()在退出之前会对互斥量重新加锁，可发送信号的线程尚未释放锁，所以刚结束休眠的阻塞线程，对互斥量加锁又导致阻塞了；在顺序二中，发送条件成立信号的步骤在对互斥量解锁之后，此时发送信号时，发送线程已经解锁互斥量，但在刚解锁互斥量之后，有可能其它线程在发送线程发送信号之前，成功对互斥量加锁，拿到了“条件”的访问权，因此，可以修改“条件”，这样一来，使得“条件”不再满足阻塞线程的要求，但发送线程不知道，仍会调用pthread_cond_broadcast()发送信号，阻塞线程收到信号后被唤醒，可此时的“条件”是不满足要求的，这一点可以通过while循环判断“条件”是否成立来修正，即便阻塞线程被唤醒，但它仍会判断“条件”是否成立，不成立则继续阻塞等待。

作者：蓝雪冬荷
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來源：简书
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