生产者-消费者问题：介绍POSIX线程的互斥量和条件变量的使用

Posted 2020-10-01 Harley_Quinn

全局初始化互斥量和条件变量（不全局也行，但至少要对线程启动函数可见，这样才能使用。）

static pthread_cont_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
static pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

使用互斥量锁住一块代码方法如下（默认忽略pthread开头的函数的错误检查，即类似 int s = pthread_xxx(...); if (s != 0) { printErrorMsg(s, ...); }这种代码）

pthread_mutex_lock(&mtx);
// TODO: 在这里添加自定义代码(被锁住的代码)
pthread_mutex_unlock(&mtx);

被锁住的代码是同步执行的，这里定义代码的执行时间段为[start, end]，即一段代码开始执行的时刻为start，结束执行的时刻为end。

则任意两个线程执行lock和unlock之间的代码的时间段均不会重叠，也就是多线程执行被锁住的代码可以看做串行的，即总会有下述时间顺序：

A线程lock成功 >>> A线程执行被锁住的代码 >>> A线程unlock >>> B线程lock成功 >>> B线程执行被锁住的代码 >>> B线程unlock

 

条件变量的使用则是和互斥量挂钩的，若被锁住的代码存在等待操作，又不能确定等多久，此时就需要使用条件变量来等待。

举个生产者-消费者的例子，线程A为狗的活动，线程B为主人的活动。狗进食和主人添加狗粮2个行为是互斥的，即不能同时发生，必须有先后顺序，代码类似下面

void* consumer(void* arg)
{
    while (1) {  // 狗持续进食
        pthread_mutex_lock(&mtx);
        // TODO: 狗进食的代码
        pthread_mutex_unlock(&mtx);
    }
}

void* producer(void* arg)  // 主人的一次喂食
{
    pthread_mutex_lock(&mtx);
    // TODO: 主人喂食的代码
    pthread_mutex_unlock(&mtx);
}

而逻辑是，狗进食必须判断狗粮是否有剩余，也就是说狗进食的代码类似这样

// 狗进食的代码
if (hasFood())
    dog_eat();

这段代码被线程启动函数consumer的lock和unlock锁住，于是每次都要上锁 >>> 检查是否有食物 >>> 解锁，若主人长时间不喂食，狗的线程将会浪费大量系统资源在这几个不必要的步骤上面，因此狗的正确做法是在没有食物时等待，然后主人添加食物时通知狗去吃。类似进程通信的signal()和kill()函数。

等待过程在系统中相当于是阻塞，被阻塞的线程不会耗费系统资源。

而条件变量则是如此使用的，这种思路下的代码如下

void* consumer(void* arg)
{
    while (1) {  // 狗持续进食
        pthread_mutex_lock(&mtx);
        if (!hasFood())
            pthread_cond_wait(&cond, &mtx); // 阻塞直到被唤醒

        dog_eat(); // 被唤醒则代表有食物了，可以吃了
        pthread_mutex_unlock(&mtx);
    }
}

void* producer(void* arg)  // 主人的一次喂食
{
    pthread_mutex_lock(&mtx);
    addFood();
    pthread_mutex_unlock(&mtx);
    
    pthread_cond_signal(&cond); // 添加食物后发出信号，唤醒被阻塞的consumer函数
}

消费者线程执行pthread_cond_wait时，会暂时unlock()，这样其他线程（生产者）才能继续执行。

生产者线程执行pthread_cond_signal时，会唤醒至少一条因为pthread_cond_wait而阻塞的线程，假如被唤醒的是执行consumer()函数的线程，pthread_cond_wait会返回，然后线程重新lock()。

——于是，其实这里的代码是有问题的，假如有一个线程先被唤醒，并吃空了狗粮，再之后，另一个线程才被唤醒，dog_eat()就会失败，因为狗粮被吃完了。

因此被唤醒时需要再检查一次

        if (!hasFood())
            pthread_cond_wait(&cond, &mtx); // 阻塞直到被唤醒

        if (hasFood())
            dog_eat(); // 被唤醒则代表有食物了，可以吃了

但是如果唤醒后hasFood()返回“假”时，我们没有处理而是继续执行，而正常逻辑是，没有食物的时候还是要等待，然后再被唤醒，如果被唤醒时还是没食物继续等待，所以正确的写法是用while循环

        while (!hasFood())
            pthread_cond_wait(&cond, &mtx); // 阻塞直到被唤醒

        dog_eat(); // 被唤醒则代表有食物了，可以吃了