Linux C 多线程编程之互斥锁与条件变量实例详解

时间：2018-04-20 11:06:43

关键字： c Linux 多线程编程互斥锁

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[导读]互斥量从本质上说就是一把锁, 提供对共享资源的保护访问。

一、互斥锁

互斥量从本质上说就是一把锁, 提供对共享资源的保护访问。

1. 初始化:

在Linux下, 线程的互斥量数据类型是pthread_mutex_t. 在使用前, 要对它进行初始化:

对于静态分配的互斥量, 可以把它设置为PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER, 或者调用pthread_mutex_init.

对于动态分配的互斥量, 在申请内存(malloc)之后, 通过pthread_mutex_init进行初始化, 并且在释放内存(free)前需要调用pthread_mutex_destroy.

原型:

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

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

头文件:

返回值: 成功则返回0, 出错则返回错误编号.

说明: 如果使用默认的属性初始化互斥量, 只需把attr设为NULL. 其他值在以后讲解。

2. 互斥操作:

对共享资源的访问, 要对互斥量进行加锁, 如果互斥量已经上了锁, 调用线程会阻塞, 直到互斥量被解锁. 在完成了对共享资源的访问后, 要对互斥量进行解锁。

首先说一下加锁函数:

头文件:

原型:

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

返回值: 成功则返回0, 出错则返回错误编号.

说明: 具体说一下trylock函数, 这个函数是非阻塞调用模式, 也就是说, 如果互斥量没被锁住, trylock函数将把互斥量加锁, 并获得对共享资源的访问权限; 如果互斥量被锁住了, trylock函数将不会阻塞等待而直接返回EBUSY, 表示共享资源处于忙状态。

再说一下解所函数:

头文件:

原型:

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

返回值: 成功则返回0, 出错则返回错误编号.

3. 死锁:

死锁主要发生在有多个依赖锁存在时, 会在一个线程试图以与另一个线程相反顺序锁住互斥量时发生. 如何避免死锁是使用互斥量应该格外注意的东西。

总体来讲, 有几个不成文的基本原则:

对共享资源操作前一定要获得锁。

完成操作以后一定要释放锁。

尽量短时间地占用锁。

如果有多锁, 如获得顺序是ABC连环扣, 释放顺序也应该是ABC。

线程错误返回时应该释放它所获得的锁。

下面给个测试小程序进一步了解互斥，mutex互斥信号量锁住的不是一个变量，而是阻塞住一段程序。如果对一个mutex变量testlock, 执行了第一次pthread_mutex_lock(testlock)之后，在unlock(testlock)之前的这段时间内，如果有其他线程也执行到了pthread_mutex_lock(testlock)，这个线程就会阻塞住，直到之前的线程unlock之后才能执行，由此，实现同步，也就达到保护临界区资源的目的。

include

#include

static pthread_mutex_t testlock;

pthread_t test_thread;

void *test()

{

pthread_mutex_lock(&testlock);

printf("thread Test() \n");

pthread_mutex_unlock(&testlock);

}

int main()

{

pthread_mutex_init(&testlock, NULL);

pthread_mutex_lock(&testlock);

printf("Main lock \n");

pthread_create(&test_thread, NULL, test, NULL);

sleep(1); //更加明显的观察到是否执行了创建线程的互斥锁

printf("Main unlock \n");

pthread_mutex_unlock(&testlock);

sleep(1);

pthread_join(test_thread,NULL);

pthread_mutex_destroy(&testlock);

return 0;

}

make

gcc -D_REENTRANT -lpthread -o test test.c

结果：

Main lock

Main unlock

thread Test()

二、条件变量

这里主要说说 pthread_cond_wait()的用法，在下面有说明。

条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制，主要包括两个动作：一个线程等待"条件变量的条件成立"而挂起;另一个线程使"条件成立"(给出条件成立信号)。为了防止竞争，条件变量的使用总是和一个互斥锁结合在一起。

1. 创建和注销

条件变量和互斥锁一样，都有静态动态两种创建方式，静态方式使用PTHREAD_COND_INITIALIZER常量，如下：

pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER

动态方式调用pthread_cond_init()函数，API定义如下：

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr)

尽管POSIX标准中为条件变量定义了属性，但在LinuxThreads中没有实现，因此cond_attr值通常为NULL，且被忽略。

注销一个条件变量需要调用pthread_cond_destroy()，只有在没有线程在该条件变量上等待的时候才能注销这个条件变量，否则返回EBUSY。因为Linux实现的条件变量没有分配什么资源，所以注销动作只包括检查是否有等待线程。API定义如下：

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond)

2. 等待和激发

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 *abstime)

等待条件有两种方式：无条件等待pthread_cond_wait()和计时等待pthread_cond_timedwait()，其中计时等待方式如果在给定时刻前条件没有满足，则返回ETIMEOUT，结束等待，其中abstime以与time()系统调用相同意义的绝对时间形式出现，0表示格林尼治时间1970年1月1日0时0分0秒。

无论哪种等待方式，都必须和一个互斥锁配合，以防止多个线程同时请求pthread_cond_wait()(或pthread_cond_timedwait()，下同)的竞争条件(Race Condition)。mutex互斥锁必须是普通锁(PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP)或者适应锁(PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP)，且在调用pthread_cond_wait()前必须由本线程加锁(pthread_mutex_lock())，而在更新条件等待队列以前，mutex保持锁定状态，并在线程挂起进入等待前解锁。在条件满足从而离开pthread_cond_wait()之前，mutex将被重新加锁，以与进入pthread_cond_wait()前的加锁动作对应。执行pthread_cond_wait()时自动解锁互斥量(如同执行了 pthread_unlock_mutex)，并等待条件变量触发。这时线程挂起，不占用 CPU 时间，直到条件变量被触发。

因此，全过程可以描述为：

(1)pthread_mutex_lock()上锁，

(2)pthread_cond_wait()等待，等待过程分解为为：解锁--条件满足--加锁

(3)pthread_mutex_unlock()解锁。

激发条件有两种形式，pthread_cond_signal()激活一个等待该条件的线程，存在多个等待线程时按入队顺序激活其中一个;而pthread_cond_broadcast()则激活所有等待线程。两者如果没有等待的线程，则什么也不做。

下面一位童鞋问的问题解释了上面的说明：

当pthread_cond_t调用pthread_cond_wait进入等待状态时,pthread_mutex_t互斥信号无效了.

示例代码如下:

//多线程同步--条件锁(相当与windows的事件)测试

//要先让pthread_cond_wait进入等待信号状态,才能调用pthread_cond_signal发送信号,才有效.

//不能让pthread_cond_signal在pthread_cond_wait前面执行

#include

#include //多线程所用头文件

#include //信号量使用头文件

pthread_cond_t g_cond /*=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER*/; //申明条锁,并用宏进行初始化

pthread_mutex_t g_mutex ;

//线程执行函数

void threadFun1(void)

{

int i;

pthread_mutex_lock(&g_mutex); //1

pthread_cond_wait(&g_cond,&g_mutex); //如g_cond无信号,则阻塞

for( i = 0;i < 2; i++ ){

printf("thread threadFun1.\n");

sleep(1);

}

pthread_cond_signal(&g_cond);

pthread_mutex_unlock(&g_mutex);

}

int main(void)

{

pthread_t id1; //线程的标识符

pthread_t id2;

pthread_cond_init(&g_cond,NULL); //也可以程序里面初始化

pthread_mutex_init(&g_mutex,NULL); //互斥变量初始化

int i,ret;

ret = pthread_create(&id1,NULL,(void *)threadFun1, NULL);

if ( ret!=0 ) { //不为0说明线程创建失败

printf ("Create pthread1 error!\n");

exit (1);

}

sleep(5); //等待子线程先开始

pthread_mutex_lock(&g_mutex); //2

pthread_cond_signal(&g_cond); //给个开始信号,注意这里要先等子线程进入等待状态在发信号,否则无效

pthread_mutex_unlock(&g_mutex);

pthread_join(id1,NULL);

pthread_cond_destroy(&g_cond); //释放

pthread_mutex_destroy(&g_mutex); //释放

return 0;

}

大家请看红颜色的1和2.

明明是1先锁了互斥变量,但代码执行到2还是一样可以锁定.

为什么会这样呢????/

pthread_cond_wait()什么情况才会接锁,继续跑下去啊...现在来看一段典型的应用：看注释即可。

问题解释：当程序进入pthread_cond_wait等待后，将会把g_mutex进行解锁，当离开pthread_cond_wait之前，g_mutex会重新加锁。所以在main中的g_mutex会被加锁。呵呵。。。

现在来看一段典型的应用：看注释即可。

#include

static pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

static pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

struct node {

int n_number;

struct node *n_next;

} *head = NULL;

/*[thread_func]*/

static void cleanup_handler(void *arg)

{

printf("Cleanup handler of second thread.\n");

free(arg);

(void)pthread_mutex_unlock(&mtx);

}

static void *thread_func(void *arg)

{

struct node *p = NULL;

pthread_cleanup_push(cleanup_handler, p);

while (1) {

pthread_mutex_lock(&mtx); //这个mutex主要是用来保证pthread_cond_wait的并发性

while (head == NULL) { //这个while要特别说明一下，单个pthread_cond_wait功能很完善，为何这里要有一个while (head == NULL)呢?因为pthread_cond_wait里的线程可能会被意外唤醒，如果这个时候head != NULL，则不是我们想要的情况。这个时候，应该让线程继续进入pthread_cond_wait

pthread_cond_wait(&cond, &mtx); // pthread_cond_wait会先解除之前的pthread_mutex_lock锁定的mtx，然后阻塞在等待对列里休眠，直到再次被唤醒(大多数情况下是等待的条件成立而被唤醒，唤醒后，该进程会先锁定先pthread_mutex_lock(&mtx);，再读取资源，用这个流程是比较清楚的/*block-->unlock-->wait() return-->lock*/

#include

#define min(a,b) ((a) < (b) ? (a) : (b))

#define max(a,b) ((a) > (b) ? (a) : (b))

#define MAXNITEMS 1000000

#define MAXNTHREADS 100

int nitems; /* read-only by producer and consumer */

struct {

pthread_mutex_t mutex;

int buff[MAXNITEMS];

int nput;

int nval;

} shared = { PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER };

void *produce(void *), *consume(void *);

/* include main */

int

main(int argc, char **argv)

{

int i, nthreads, count[MAXNTHREADS];

pthread_t tid_produce[MAXNTHREADS], tid_consume;

if (argc != 3) {

printf("usage: prodcons3 <#items> <#threads>\n");

return -1;

}

nitems = min(atoi(argv[1]), MAXNITEMS);

nthreads = min(atoi(argv[2]), MAXNTHREADS);

/* 4create all producers and one consumer */

for (i = 0; i < nthreads; i++) {

count[i] = 0;

pthread_create(&tid_produce[i], NULL, produce, &count[i]);

}

pthread_create(&tid_consume, NULL, consume, NULL);

/* 4wait for all producers and the consumer */

for (i = 0; i < nthreads; i++) {

pthread_join(tid_produce[i], NULL);

printf("count[%d] = %d\n", i, count[i]);

}

pthread_join(tid_consume, NULL);

exit(0);

}

/* end main */

void *

produce(void *arg)

{

for ( ; ; ) {

pthread_mutex_lock(&shared.mutex);

if (shared.nput >= nitems) {

pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);

return(NULL); /* array is full, we're done */

}

shared.buff[shared.nput] = shared.nval;

shared.nput++;

shared.nval++;

pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);

*((int *) arg) += 1;

}

/* include consume */

void

consume_wait(int i)

{

for ( ; ; ) {

pthread_mutex_lock(&shared.mutex);

if (i < shared.nput) {

pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);

return; /* an item is ready */

}

pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);

}

void *

consume(void *arg)

{

int i;

for (i = 0; i < nitems; i++) {

consume_wait(i);

if (shared.buff[i] != i)

printf("buff[%d] = %d\n", i, shared.buff[i]);

}

return(NULL);

}

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