你真的懂线程同步么？

Posted 2021-01-07 liudw-0215

　　前言：学进程时，学习的重点应该进程间通信，而学习线程时，重点就应该是线程同步了。想过为什么？fork创建子进程之后，子进程有自己的独立地址空间和PCB，想和父进程或其它进程通信，就需要各种通信方式，例如无名管道（管道，我习惯这么叫无名管道）、有名管道（命名管道）、信号、消息队列、信号量、共享内存等；而pthread_create创建子线程之后，子线程没有独立的地址空间，大部分数据都是共享的，如果同时访问数据，就是造成混乱，所以要控制，就是线程同步了。

　　一、同步概念

　　为什么要特意说一下同步概念呢？因为它跟其他领域的“同步”有些差异。

　　所谓同步，即同时起步，协调一致。不同的对象，对“同步”的理解方式略有不同。如，设备同步，是指在两个设备之间规定一个共同的时间参考；数据库同步，是指让两个或多个数据库内容保持一致，或者按需要部分保持一致；文件同步，是指让两个或多个文件夹里的文件保持一致。等等

       而，编程中、通信中所说的同步与生活中大家印象中的同步概念略有差异。“同”字应是指协同、协助、互相配合。主旨在协同步调，按预定的先后次序运行。

　　二、线程同步方式

　　这篇博客主要介绍四种方式，如下：

方式	通用标识
互斥锁（互斥量）	pthread_mutex_
读写锁	pthread_rwlock_
条件变量	pthread_cond_
信号量	sem_

　　  表中的“通用标识”，指的是那种同步方式的函数、类型都那么开头的，方便记忆；还有其他方式，自旋锁、屏蔽，感觉不常用，有兴趣可以阅读APUE。

　　 三、互斥锁（互斥量）

　　1、介绍

　　先来画个图，来简单说明一下：　　PS：依旧是全博客园最丑图，不接受反驳！

　　

　　　　　　　 

　　Linux中提供一把互斥锁mutex（也称之为互斥量）。

　　每个线程在对资源操作前都尝试先加锁，成功加锁才能操作，操作结束解锁。

       资源还是共享的，线程间也还是竞争的，                                                                

       但通过“锁”就将资源的访问变成互斥操作，而后与时间有关的错误也不会再产生了。

　　2、主要函数　　

　　pthread_mutex_init函数　　　　//初始化mutex,默认为1

       pthread_mutex_destroy函数　　//销毁锁

       pthread_mutex_lock函数　　　  //加锁，加锁不成功，一直阻塞在那等待

       pthread_mutex_trylock函数　　 //尝试加锁，加锁不成功，直接返回

       pthread_mutex_unlock函数　　//解锁

　　以上5个函数的返回值都是：成功返回0， 失败返回错误号。  

　　pthread_mutex_t 类型，其本质是一个结构体。为简化理解，应用时可忽略其实现细节，简单当成整数看待。

　　变量mutex只有两种取值1、0。

• pthread_mutex_init函数

　　初始化一个互斥锁(互斥量) ---> 初值可看作1

        原型：int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

        参1：传出参数，调用时应传 &mutex      

        这个restrict关键字可能第一次遇到，说明一下：只用于限制指针，告诉编译器，所有修改该指针指向内存中内容的操作，只能通过本指针完成。不能通过除本指针以外的其他变量或指针修改

         参2：互斥量属性。是一个传入参数，通常传NULL，选用默认属性(线程间共享)。互斥锁也可以用于进程间同步，需要修改属性为进程间共享。 参APUE.12.4同步属性

1. 静态初始化：如果互斥锁 mutex 是静态分配的（定义在全局，或加了static关键字修饰），可以直接使用宏进行初始化。e.g.  pthead_mutex_t muetx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
2. 动态初始化：局部变量应采用动态初始化。e.g.  pthread_mutex_init(&mutex, NULL)

　　其他函数就不解释了，相对比较简单。

　　示例程序，主要对标准输出进行加锁，使主线程打印大写“HELLO WORLD”，子线程打印小写“hello world”，程序如下：

　　

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

pthread_mutex_t mutex;

void err_thread(int ret, char *str)
{
    if (ret != 0) {
        fprintf(stderr, "%s:%s
", str, strerror(ret));
        pthread_exit(NULL);
    }
}

void *tfn(void *arg)
{
    srand(time(NULL));

    while (1) {

        pthread_mutex_lock(&mutex);
        printf("hello ");
        sleep(rand() % 3);    /*模拟长时间操作共享资源，导致cpu易主，产生与时间有关的错误*/
        printf("world
");
        pthread_mutex_unlock(&mutex);

        sleep(rand() % 3);

    }

    return NULL;
}

int main(void)
{
    int flag = 5;
    pthread_t tid;
    srand(time(NULL));

    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
    while (flag--) {

        pthread_mutex_lock(&mutex);

        printf("HELLO ");
        sleep(rand() % 3);
        printf("WORLD
");
        pthread_mutex_unlock(&mutex);

        sleep(rand() % 3);

    }
    pthread_cancel(tid);                //  将子线程杀死,子线程中自带取消点
    pthread_join(tid, NULL);

    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    return 0;                           //main中的return可以将整个进程退出
}

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　　编译时也要记得链上-pthread。

　　四、读写锁

　　1、特性

　　（1）读写锁是“写模式加锁”时， 解锁前，所有对该锁加锁的线程都会被阻塞。

　　（2）读写锁是“读模式加锁”时， 如果线程以读模式对其加锁会成功；如果线程以写模式加锁会阻塞。

　　（3）读写锁是“读模式加锁”时， 既有试图以写模式加锁的线程，也有试图以读模式加锁的线程。那么读写锁会阻塞随后的读模式锁请求。优先满足写模式锁。读锁、写锁并行阻塞，写锁优先级高

         读写锁也叫共享-独占锁。当读写锁以读模式锁住时，它是以共享模式锁住的；当它以写模式锁住时，它是以独占模式锁住的。写独占、读共享。

         读写锁非常适合于对数据结构读的次数远大于写的情况。

　　敲重点了，记住12个字：写独占、读共享；写锁优先级高。

 

　　2、主要函数　　

　　 pthread_rwlock_init函数　　　　 //初始化

         pthread_rwlock_destroy函数　　//销毁锁

         pthread_rwlock_rdlock函数 　　 //读加锁,阻塞

         pthread_rwlock_wrlock函数　　 //写解锁，阻塞

         pthread_rwlock_tryrdlock函数　 //尝试读解锁

         pthread_rwlock_trywrlock函数　//尝试写加锁

         pthread_rwlock_unlock函数　　//解锁

　　以上7 个函数的返回值都是：成功返回0， 失败直接返回错误号。 

        pthread_rwlock_t类型   用于定义一个读写锁变量。

        pthread_rwlock_t rwlock;

　　这些参考互斥锁的函数，进行对比学习，只是多了读锁和写锁，就不过多解释了。

　　实例程序，3个线程“写”全局变量，5个全局变量“读”全局变量，程序如下：

　　

/* 3个线程不定时 "写" 全局资源，5个线程不定时 "读" 同一全局资源 */

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

int counter;                          //全局资源
pthread_rwlock_t rwlock;

void *th_write(void *arg)
{
    int t;
    int i = (int)arg;

    while (1) {
        t = counter;
        usleep(1000);

        pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
        printf("=======write %d: %lu: counter=%d ++counter=%d
", i, pthread_self(), t, ++counter);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

        usleep(5000);
    }
    return NULL;
}

void *th_read(void *arg)
{
    int i = (int)arg;

    while (1) {
        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
        printf("----------------------------read %d: %lu: %d
", i, pthread_self(), counter);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

        usleep(900);
    }
    return NULL;
}

int main(void)
{
    int i;
    pthread_t tid[8];

    pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);

    for (i = 0; i < 3; i++)
        pthread_create(&tid[i], NULL, th_write, (void *)i);

    for (i = 0; i < 5; i++)
        pthread_create(&tid[i+3], NULL, th_read, (void *)i);

    for (i = 0; i < 8; i++)
        pthread_join(tid[i], NULL);

    pthread_rwlock_destroy(&rwlock);            //释放读写琐

    return 0;
}

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　　另两种方式，还有条件变量和信号量，条件变量比较难理解，篇幅比较多，所以会另写一篇博客来写，敬请期待哦！