线程同步,指的是控制多线程间的相对执行顺序,从而在线程间正确、有序地共享数据,以下为线程同步常见使用场合。
在实际项目中,经常使用的线程同步方法主要分为三种:
本节内容只介绍互斥锁和条件变量,posix信号量后续在posix ipc专题中介绍。
互斥锁用于确保同一时间只有一个线程访问共享数据,使用方法为:
对互斥锁加锁后,任何其他试图再次对其加锁的线程都会被阻塞,直到当前线程释放该互斥锁,解锁时所有阻塞线程都会变成可运行状态,但究竟哪个先运行,这一点是不确定的。
互斥锁是用pthread_mutex_t
数据类型表示的,在使用互斥锁之前,需要先进行初始化,初始化方法有两种:
pthread_mutex_initializer
,只适用于静态分配的互斥锁pthread_mutex_init
函数,静态分配和动态分配的互斥锁都可以互斥锁使用完以后,可以调用pthread_mutex_destroy
进行销毁,尤其是对于动态分配的互斥锁,在释放内存前,调用pthread_mutex_destroy是必须的。
pthread_mutex_t mutex = pthread_mutex_initializer; //两个函数的返回值:成功返回0,失败返回错误编号 int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr); int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
其中,pthread_mutex_init的第二个参数attr用于设置互斥锁的属性,如果要使用默认属性,只需把attr设为null。
//两个函数的返回值:成功返回0,失败返回错误编号 int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
对互斥锁上锁,需要调用pthread_mutex_lock
,如果互斥锁已经上锁,调用线程将阻塞到该互斥锁被释放。
对互斥锁解锁,需要调用pthread_mutex_unlock
。
//成功返回0,失败返回错误编号 int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
如果不希望调用线程阻塞,可以使用pthread_mutex_trylock
尝试上锁:
ebusy
//成功返回0,失败返回错误编号 int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *time);
pthread_mutex_timedlock
是一个可以设置阻塞时间的上锁函数:
etimedout
关于第二个参数time,有两点需要注意:
/* * 测试使用上述4个加锁函数 */ #include <pthread.h> #include <time.h> #include <errno.h> #include <stdio.h> pthread_mutex_t mutex1; pthread_mutex_t mutex2; pthread_mutex_t mutex3; void *thread1_start(void *arg) { pthread_mutex_lock(&mutex1); printf("thread1 has locked mutex1\n"); sleep(2); //保证thread2执行时mutex1还未解锁 pthread_mutex_unlock(&mutex1); } void *thread2_start(void *arg) { if (pthread_mutex_trylock(&mutex2) == 0) printf("thread2 trylock mutex2 sucess\n"); if (pthread_mutex_trylock(&mutex1) == ebusy) printf("thread2 trylock mutex1 failed\n"); pthread_mutex_unlock(&mutex2); } void *thread3_start(void *arg) { struct timespec time; struct tm *tmp_time; char s[64]; int err; pthread_mutex_lock(&mutex3); printf("thread3 has locked mutex3\n"); /*获取当前时间,并转化为本地时间打印*/ clock_gettime(clock_realtime, &time); tmp_time = localtime(&time.tv_sec); strftime(s, sizeof(s), "%r", tmp_time); printf("current time is %s\n", s); /*设置time = 当前时间 + 等待时间10s*/ time.tv_sec = time.tv_sec + 10; /*mutex3已上锁,这里会阻塞*/ if (pthread_mutex_timedlock(&mutex3, &time) == etimedout) printf("pthread_mutex_timedlock mutex3 timeout\n"); /*再次获取当前时间,并转化为本地时间打印*/ clock_gettime(clock_realtime, &time); tmp_time = localtime(&time.tv_sec); strftime(s, sizeof(s), "%r", tmp_time); printf("the time is now %s\n", s); pthread_mutex_unlock(&mutex3); } int main() { pthread_t tid1; pthread_t tid2; pthread_t tid3; /*测试pthread_mutex_lock和pthread_mutex_trylock*/ pthread_mutex_init(&mutex1, null); pthread_mutex_init(&mutex2, null); pthread_create(&tid1, null, thread1_start, null); pthread_create(&tid2, null, thread2_start, null); if (pthread_join(tid1, null) == 0) { pthread_mutex_destroy(&mutex1); } if (pthread_join(tid2, null) == 0) { pthread_mutex_destroy(&mutex2); } /*测试pthread_mutex_timedlock*/ pthread_mutex_init(&mutex3, null); pthread_create(&tid3, null, thread3_start, null); if (pthread_join(tid3, null) == 0) { pthread_mutex_destroy(&mutex3); } return 0; }
线程间死锁,指的是线程间相互等待临界资源而造成彼此无法继续执行的现象。
直观上看,循环等待条件似乎和死锁的定义一样,其实不然,因为死锁定义中的要求更为严格:
条件变量是用pthread_cond_t
数据类型表示的,和互斥锁类似,条件变量的初始化方法也有两种:
pthread_cond_initializer
,只适用于静态分配的条件变量pthread_cond_init
函数,适用于静态分配和动态分配的条件变量条件变量使用完以后,可以调用pthread_cond_destroy
进行销毁,同样的,如果是动态分配的条件变量,在释放内存前,该操作也是必须的。
pthread_cond_t cond = pthread_cond_initializer; //两个函数的返回值:成功返回0,失败返回错误编号 int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr); int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
其中,pthread_cond_init的第二个参数attr用于设置条件变量的属性,如果要使用默认属性,只需把attr设为null。
//两个函数的返回值:成功返回0,失败返回错误编号 int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex); int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *timeout);
可以调用pthread_cond_wait
函数等待条件满足,使用步骤如下,传递给函数的互斥锁对条件进行保护,在条件满足之前,调用线程将一直阻塞。
pthread_cond_timedwait
是一个限时等待条件满足的函数,如果发生超时时条件还没满足,pthread_cond_timedwait将重新对互斥锁上锁,然后返回etimedout
错误。
注意:当条件满足从pthread_cond_wait和pthread_cond_timedwait返回时,调用线程必须重新计算条件,因为另一个线程可能已经在运行并改变了条件。
有两个函数可以用于通知线程条件已经满足:
pthread_cond_signal
至少能唤醒一个等待该条件的线程pthread_cond_broadcast
可以唤醒等待该条件的所有线程//两个函数的返回值:成功返回0,失败返回错误编号 int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond); int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
在调用上面两个函数时,我们说这是在给线程发信号,注意,一定要先获取互斥锁,再改变条件,然后给线程发信号,最后再对互斥锁解锁。
/* * 结合使用条件变量和互斥锁进行线程同步 */ #include <pthread.h> #include <stdio.h> static pthread_cond_t cond; static pthread_mutex_t mutex; static int cond_value; static int quit; void *thread_signal(void *arg) { while (!quit) { pthread_mutex_lock(&mutex); cond_value++; //改变条件,使条件满足 pthread_cond_signal(&cond); //给线程发信号 printf("signal send, cond_value: %d\n", cond_value); pthread_mutex_unlock(&mutex); sleep(1); } } void *thread_wait(void *arg) { while (!quit) { pthread_mutex_lock(&mutex); /*通过while (cond is true)来保证从pthread_cond_wait成功返回时,调用线程会重新检查条件*/ while (cond_value == 0) pthread_cond_wait(&cond, &mutex); cond_value--; printf("signal recv, cond_value: %d\n", cond_value); pthread_mutex_unlock(&mutex); sleep(1); } } int main() { pthread_t tid1; pthread_t tid2; pthread_cond_init(&cond, null); pthread_mutex_init(&mutex, null); pthread_create(&tid1, null, thread_signal, null); pthread_create(&tid2, null, thread_wait, null); sleep(5); quit = 1; pthread_join(tid1, null); pthread_join(tid2, null); pthread_cond_destroy(&cond); pthread_mutex_destroy(&mutex); return 0; }
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