使用条件变量多线程时出现意外行为

Posted 2023-02-16

【中文标题】使用条件变量多线程时出现意外行为

【英文标题】：Unexpected behavior while using condition variable multithread

【发布时间】：2015-05-26 13:28:19

【问题描述】：

在下面的代码中：

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

pthread_mutex_t mtx;
pthread_cond_t cond;

int how_many = 10;
int pool = 0;

void * producer(void * ptr)

        while (how_many > 0)
        
                pthread_mutex_lock(&mtx);
                printf("producer: %d\n", how_many);
                pool = how_many;
                how_many--;
                pthread_mutex_unlock(&mtx);
                pthread_cond_signal(&cond);
        

        pthread_exit(0);


void * consumer(void * ptr)

        while (how_many > 0)
        
                pthread_mutex_lock(&mtx);
                pthread_cond_wait(&cond, &mtx);
                printf("consumer: %d\n", pool);
                pool = 0;
                pthread_mutex_unlock(&mtx);
        
        pthread_exit(0);


int main(int argc, char ** argv)

        pthread_t prod, cons;
        pthread_mutex_init(&mtx, 0);
        pthread_cond_init(&cond, 0);
        pthread_create(&cons, 0, consumer, 0);
        pthread_create(&prod, 0, producer, 0);
        pthread_join(prod, 0);
        pthread_join(cons, 0);
        pthread_cond_destroy(&cond);
        pthread_mutex_destroy(&mtx);
        return 0;

我没有得到预期的输出。

预期输出：

Producer:10    
Consumer:10    
Producer:9    
Consumer:9    
Producer:8    
Consumer:8    
Producer:7    
Consumer:7    
Producer:6    
Consumer:6    
Producer:5    
Consumer:5    
Producer:4    
Consumer:4    
Producer:3    
Consumer:3    
Producer:2    
Consumer:2    
Producer:1    
Consumer:1

实际输出：

producer: 10    
producer: 9    
producer: 8    
producer: 7    
producer: 6    
producer: 5    
producer: 4    
producer: 3    
producer: 2    
producer: 1

另外，在消费者端，如果我们锁定并等待信号，生产者如何获得锁定以便他可以将信号发送给消费者？

会死锁吗？ 我的朋友都在推荐pthread_cond_wait(&cond, &mtx)；实际上会解锁资源，直到它从生产者那里得到信号。这是真的吗？

【问题讨论】：

您想从临界区内部发出条件信号，即在解锁相关互斥体之前。

“我的朋友们建议……这是真的吗？”根据文档，是的。

我在生产者端释放锁后使用了 sleep(1)，它工作正常:-) 我理解 pthread_cond_wait() 在收到信号之前不会持有锁。

【参考方案1】：

互斥体只提供互斥（如果使用得当）；它们本身并不提供阻止特定事件发生或直到满足特定条件的机制。这就是条件变量的用途（还有信号量，如果你想降低一点）。

您的代码让消费者等待生产者生产，但不让生产者在继续之前等待消费者消费。如果您希望两个线程交替进行，那么您需要第二个条件变量来为后者提供。

另外，在消费者端，如果我们锁定并等待信号，生产者如何获得锁定以便他可以将信号发送给消费者？

会死锁吗？

我的朋友建议像 pthread_cond_wait(&cond, &mtx);实际上会解锁资源，直到它从生产者那里得到信号。这是真的吗？

您是否考虑过阅读文档，而不是询问您的朋友（或互联网）？以下是手册页的描述方式：

这些函数以原子方式释放互斥体 [...]。成功返回后，互斥体应已被锁定并归调用线程所有。

也就是说，调用pthread_cond_wait()的线程在等待时不会保持互斥锁锁定，而是在返回之前重新获取互斥锁（这可能涉及线程接收信号和函数调用返回之间的不确定延迟） .

此外，请始终记住，线程可能会因等待条件变量而被虚假唤醒。必须在唤醒时检查条件是否确实满足，如果不满足则继续等待。

您可以通过以下方式构建生产者：

void * producer(void * ptr)

        pthread_mutex_lock(&mtx);
        while (how_many > 0)
        
                if (pool == 0) 
                        printf("producer: %d\n", how_many);
                        pool = how_many;
                        how_many--;
                        pthread_cond_signal(&full_cond);
                
                pthread_cond_wait(&empty_cond, &mtx);
        
        pthread_mutex_unlock(&mtx);

        pthread_exit(0);

注意：

我已经重命名了您原来的条件变量并引入了一个新的。现在有full_cond，表示池（容量为1）已满，empty_cond，表示池为空。 整个循环由互斥体保护。这很好，因为它执行pthread_cond_wait() 命名该互斥锁；其他线程将能够在生产者等待时运行。互斥锁确保对how_many 和pool 变量的访问正确同步。 该循环通过测试pool 来验证它是否确实为空，从而防止虚假唤醒。如果没有，它会循环回到等待状态而不做任何其他事情。 为了使其正常工作，消费者需要进行相应的更改（留给您作为练习）。

【讨论】：

谢谢@John Bollinger

我知道 pthread_cond_wait() 在返回 true 之前不会持有锁 :-)

【参考方案2】：

您正在检查how_many 出锁定部分。您需要重组代码，以便读取变量被锁覆盖，或者它是 C11 _Atomic。

即使那样，您的代码输出也可能不会是您想要的方式，因为线程的调度几乎是不可预测的。

【参考方案3】：

对于您的预期输出，您可以使用如下锁定机制，

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

 sem_t mutex1; 
 sem_t mutex2; 
 int main()
 
    pthread_t thread1, thread2; 
    sem_init(&mutex1, 0, 1); 
    sem_init(&mutex2, 0, 0);
    pthread_create( &thread1, NULL, &producer, NULL)
    pthread_create( &thread2, NULL, &consumer, NULL)
    pthread_join( thread1, NULL); 
    pthread_join( thread2, NULL); 
    return 0; 
 


void producer()

  sem_wait(&mutex1); 
  :
  :

  sem_post(&mutex2);


void consumer ()

    sem_wait(&mutex2); 
    :
    : 
    sem_post(&mutex1);