线程的互斥锁

Posted 2021-01-07 xiehuan-blog

一、竞争与同步
当多个线程同时访问其所共享的进程资源时，需要相互协调，以防止出现数据不一致、不完整的问题。这就叫线程同步。

二、互斥量

int pthread_mutex_init (pthread_mutex_t* mutex,const pthread_mutexattr_t* mutexattr);
功能：初始化互斥量
//亦可 pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
?
int pthread_mutex_lock (pthread_mutex_t* mutex);
功能：加锁
?
int pthread_mutex_unlock (pthread_mutex_t* mutex);
功能：解锁
?
int pthread_mutex_destroy (pthread_mutex_t* mutex);
功能：销毁互斥量

1) 互斥量被初始化为非锁定状态；
2) 线程1调用pthread_mutex_lock函数，立即返回，互斥量呈锁定状态；
3) 线程2调用pthread_mutex_lock函数，阻塞等待；
4) 线程1调用pthread_mutex_unlock函数，互斥量呈非锁定状态；
5) 线程2被唤醒，从pthread_mutex_lock函数中返回，互斥量呈锁定状态；

三、信号量
信号量是一个计数器，用于控制访问有限共享资源的线程数。
注意：线程使用的信号量不在pthread.h中，而是semaphore.h

// 创建信号量
int sem_init (sem_t* sem, int pshared,unsigned int value);

　sem           信号量ID，输出。
?pshared 　　一般取0，表示调用进程的信号量。非0表示该信号量可以共享内存的方式，为多个进程所共享(Linux暂不支持)。
　value 　　 信号量初值。
?
// 信号量减1，不够减即阻塞
int sem_wait (sem_t* sem);
?
// 信号量减1，不够减即返回-1，errno为EAGAIN
int sem_trywait (sem_t* sem);
?
// 信号量减1，不够减即阻塞，直到abs_timeout超时返回-1，errno为ETIMEDOUT

int sem_timedwait (sem_t* sem,const struct timespec* abs_timeout);
struct timespec {
    time_t tv_sec;  // Seconds
    long   tv_nsec; // Nanoseconds [0 - 999999999]
};
?
// 信号量加1
int sem_post (sem_t* sem);
?
// 销毁信号量
int sem_destroy (sem_t* sem);

 

//简单的图书借阅小程序
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <semaphore.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

sem_t sem;
void* fun(void* arg)
{
    pthread_t tid = pthread_self();
    int* sec = arg;
    printf("请等待(%lu)...
",tid);
    sem_wait(&sem);
    printf("借阅成功(%lu),正在读书,读书时间为:%d秒
",tid,*sec);
    sleep(*sec);
    sem_post(&sem);
    printf("还书成功(%lu)!
",tid);

}

int main()
{
    srand((int)time(NULL));
    pthread_t thread;
    sem_init(&sem,0,5);

    for(int i=0; i<20; i++)
    {
        int time = rand()%10;
        int ret = pthread_create(&thread,NULL,fun,&time);
        if(ret < 0)
        {
            perror("pthread_create");
            return -1;
        }
        sleep(1);
    }
    
    sem_destroy(&sem);
    while(1);        //主线程不结束
    
}

 

四、生产者与消费者模型
一线程负责生产数据，另一部分线程负责消费数据。
问题1：如何生产的快、消费的慢，生产者容易撑死
问题2：如果生产的慢、消费的快，消费者容易饿死
只有把问题1、和问题2协调好，才能最大限度的提高效率。

生产者快－>数据池满－>生产者暂停－>消费者全部开始消费－>数据池空－>消费者暂停－>生产者全部开始生产

五、条件变量
条件变量可以让调用线程在满足特定条件的情况下暂停。

//初始化条件变量
int pthread_cond_init (pthread_cond_t* cond,const pthread_condattr_t* attr);
//亦可pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
?
// 使调用线程睡入条件变量cond，同时释放互斥锁mutex
int pthread_cond_wait (pthread_cond_t* cond,pthread_mutex_t* mutex);
?
// 使调用线程睡入条件变量cond,同时释放互斥锁mutex，并在时间到了之后即使没有被唤醒，也醒过来
int pthread_cond_timedwait (pthread_cond_t* cond,
    pthread_mutex_t* mutex,
    const struct timespec* abstime);
?
struct timespec {
    time_t tv_sec;  // Seconds
    long   tv_nsec; // Nanoseconds [0 - 999999999]
};
?
// 从条件变量cond中唤出一个线程，令其重新获得原先的互斥锁
int pthread_cond_signal (pthread_cond_t* cond);
注意：被唤出的线程此刻将从pthread_cond_wait函数中返回，
但如果该线程无法获得原先的锁，则会继续阻塞在加锁上。
?
// 从条件变量cond中唤出所有线程
int pthread_cond_broadcast (pthread_cond_t* cond);
?
// 销毁条件变量
int pthread_cond_destroy (pthread_cond_t* cond);

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

#define MAX 20

char storage[MAX] = {};
int count = 0;

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t full = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_cond_t empty = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

void show_storage(char* role,char* op,char prod)
{
    printf("%s:",role);
    for(int i=0; i<count; i++)
    {
        printf("%c",storage[i]);
    }
    printf("%s%c
",op,prod);
}

void* pro_run(void* arg)
{
    char* who = "生产者";
    while(1)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while(count >= MAX)
        {
            printf("%s:满仓
",who);
            pthread_cond_wait(&full,&mutex);
        }

        char prod = ‘A‘+rand()%26;
        storage[count++] = prod;

        show_storage(who,"->",prod);
        
        pthread_cond_signal(&empty);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        
        usleep(rand()%100*1000);
    }
}

void* con_run(void* arg)
{
    char* who = "消费者";
    while(1)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while(count <= 0)
        {
            printf("%s:空仓
",who);
            pthread_cond_wait(&empty,&mutex);
        }

        char prod = storage[count--];

        show_storage(who,"<-",prod);
        
        pthread_cond_signal(&full);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        
        usleep(rand()%100*1000);
    }
}

int main()
{
    pthread_t tid1,tid2;
    pthread_create(&tid1,NULL,pro_run,NULL);
    pthread_create(&tid2,NULL,con_run,NULL);
    getchar();
}