linux网络编程之posix 线程（三）：posix 匿名信号量与互斥锁 示例生产者--消费者问题

http://blog.csdn.net/jnu_simba/article/details/9123603

一、posix 信号量

信号量的概念参见这里。前面也讲过system v 信号量，现在来说说posix 信号量。

system v 信号量只能用于进程间同步，而posix 信号量除了可以进程间同步，还可以线程间同步。system v 信号量每次PV操作可以是N，但Posix 信号量每次PV只能是1。除此之外，posix 信号量还有命名和匿名之分（man 7 sem_overview）：

1、命名信号量

名字以/somename 形式分辨，只能有一个/ ，且总长不能超过NAME_MAX - 4（一般是251）。

需要用sem_open 函数创建或打开，PV操作分别是sem_wait 和 sem_post，可以使用sem_close 关闭，删除用sem_unlink。

命名信号量用于不共享内存的进程间同步（内核实现），类似system v 信号量。

2、匿名信号量

存放在一块共享内存中，如果是线程共享，这块区域可以是全局变量；如果是进程共享，可以是system v 共享内存（shmget 创建，shmat 映射），也可以是 posix 共享内存（shm_open 创建，mmap 映射）。

匿名信号量必须用sem_init 初始化，sem_init 函数其中一个参数pshared决定了线程共享还是进程共享，也可以用sem_post 和sem_wait 进行操作，在共享内存释放前，匿名信号量要先用sem_destroy 销毁。

有关这些函数的具体参数可以man 一下。


二、互斥锁

对于多线程的程序，访问冲突的问题是很普遍的，解决的办法是引入互斥锁（Mutex，MutualExclusive Lock），获得锁的线程可以完成“读-修改-写”的操作，然后释放锁给其它线程，没有获得锁的线程只能等待而不能访问共享数据，这样“读-修改-写”三步操作组成一个原子操作，要么都执行，要么都不执行，不会执行到中间被打断，也不会在其它处理器上并行做这个操作。

Mutex用pthread_mutex_t类型的变量表示，pthread_mutex_init函数对Mutex做初始化，参数attr设定Mutex的属性，如果attr为NULL则表示缺省属性，具体看结构体：有人建议开发中总是设置 PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE 属性，避免死锁。

// 互斥量属性: 同一线程可多次加锁
pthread_mutexattr_t m_attr;
pthread_mutexattr_init(&m_attr);
pthread_mutexattr_settype(&m_attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);

C++ Code 
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struct pthread_mutexattr_t
{
    enum lock_type    // 使用pthread_mutexattr_settype来更改
    {
         PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP [default]//当一个线程加锁后，其余请求锁的线程形成等待队列，在解锁后按优先级获得锁。
         PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP       // 动作最简单的锁类型，解锁后所有线程重新竞争。
         PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP      // 允许同一线程对同一锁成功获得多次。当然也要解锁多次。其余线程在解锁时重新竞争。
         PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP     // 若同一线程请求同一锁，返回EDEADLK，否则与PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP动作相同。
    } type;
} attr;

用pthread_mutex_init函数初始化的Mutex可以用pthread_mutex_destroy销毁。如果Mutex变量是静态分配的（全局变量或static变量），也可以用宏定义PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER来初始化，相当于用pthread_mutex_init初始化并且attr参数为NULL。

一个线程可以调用pthread_mutex_lock获得Mutex，如果这时另一个线程已经调用pthread_mutex_lock获得了该Mutex，则当前线程需要挂起等待，直到另一个线程调用pthread_mutex_unlock释放Mutex，当前线程被唤醒，才能获得该Mutex并继续执行。

如果一个线程既想获得锁，又不想挂起等待，可以调用pthread_mutex_trylock，如果Mutex已经被另一个线程获得，这个函数会失败返回EBUSY，而不会使线程挂起等待。

上面的具体函数可以man 一下。


三、生产者消费者问题

生产者消费者问题概念参见这里。下面使用posix 信号量和互斥锁一起来演示：

C++ Code 
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#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

#define ERR_EXIT(m) \
        do \
        { \
                perror(m); \
                exit(EXIT_FAILURE); \
        } while(0)

#define CONSUMERS_COUNT 1
#define PRODUCERS_COUNT 1
#define BUFFSIZE 10

int g_buffer[BUFFSIZE];

unsigned short in = 0;
unsigned short out = 0;
unsigned short produce_id = 0;
unsigned short consume_id = 0;

sem_t g_sem_full;
sem_t g_sem_empty;
pthread_mutex_t g_mutex;

pthread_t g_thread[CONSUMERS_COUNT + PRODUCERS_COUNT];

void *consume(void *arg)
{
    int i;
    int num = (int)arg;
    while (1)
    {
        printf("%d wait buffer not empty\n", num);
        sem_wait(&g_sem_empty);
        pthread_mutex_lock(&g_mutex);

        for (i = 0; i < BUFFSIZE; i++)
        {
            printf("%02d ", i);
            if (g_buffer[i] == -1)
                printf("%s", "null");
            else
                printf("%d", g_buffer[i]);

            if (i == out)
                printf("\t<--consume");

            printf("\n");
        }
        consume_id = g_buffer[out];
        printf("%d begin consume product %d\n", num, consume_id);
        g_buffer[out] = -1;
        out = (out + 1) % BUFFSIZE;
        printf("%d end consume product %d\n", num, consume_id);
        pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
        sem_post(&g_sem_full);
        sleep(1);
    }
    return NULL;
}

void *produce(void *arg)
{
    int num = (int)arg;
    int i;
    while (1)
    {
        printf("%d wait buffer not full\n", num);
        sem_wait(&g_sem_full);
        pthread_mutex_lock(&g_mutex);
        for (i = 0; i < BUFFSIZE; i++)
        {
            printf("%02d ", i);
            if (g_buffer[i] == -1)
                printf("%s", "null");
            else
                printf("%d", g_buffer[i]);

            if (i == in)
                printf("\t<--produce");

            printf("\n");
        }

        printf("%d begin produce product %d\n", num, produce_id);
        g_buffer[in] = produce_id;
        in = (in + 1) % BUFFSIZE;
        printf("%d end produce product %d\n", num, produce_id++);
        pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
        sem_post(&g_sem_empty);
        sleep(5);
    }
    return NULL;
}

int main(void)
{
    int i;
    for (i = 0; i < BUFFSIZE; i++)
        g_buffer[i] = -1;

    sem_init(&g_sem_full, 0, BUFFSIZE);
    sem_init(&g_sem_empty, 0, 0);

    pthread_mutex_init(&g_mutex, NULL);


    for (i = 0; i < CONSUMERS_COUNT; i++)
        pthread_create(&g_thread[i], NULL, consume, (void *)i);

    for (i = 0; i < PRODUCERS_COUNT; i++)
        pthread_create(&g_thread[CONSUMERS_COUNT + i], NULL, produce, (void *)i);

    for (i = 0; i < CONSUMERS_COUNT + PRODUCERS_COUNT; i++)
        pthread_join(g_thread[i], NULL);

    sem_destroy(&g_sem_full);
    sem_destroy(&g_sem_empty);
    pthread_mutex_destroy(&g_mutex);

    return 0;
}

与这里的程序相比，程序逻辑没太大变化，只是用pthread_mutex_lock 替代了 sem_mutex，其次这里是演示线程间同步，现在上述程序生产者消费者各一个线程，但生产者睡眠时间是消费者的5倍，故消费者会经常阻塞在sem_wait(&g_sem_empty) 上面，因为缓冲区经常为空，可以将PRODUCTORS_COUNT 改成5，即有5个生产者线程和1个消费者线程，而且生产者睡眠时间还是消费者的5倍，从动态输出可以看出，基本上就动态平衡了，即5个生产者一下子生产了5份东西，消费者1s消费1份，刚好在生产者继续生产前消费完。


四、自旋锁和读写锁简介

（一）、自旋锁

自旋锁类似于互斥锁，它的性能比互斥锁更高。
自旋锁与互斥锁很重要的一个区别在于，线程在申请自旋锁的时候，线程不会被挂起，它处于忙等待的状态，一般用于等待时间比较短的情形。
pthread_spin_init
pthread_spin_destroy
pthread_spin_lock
pthread_spin_unlock

（二）、读写锁

1、只要没有线程持有给定的读写锁用于写，那么任意数目的线程可以持有读写锁用于读
2、仅当没有线程持有某个给定的读写锁用于读或用于写时，才能分配读写锁用于写
3、读写锁用于读称为共享锁，读写锁用于写称为排它锁
pthread_rwlock_init
pthread_rwlock_destroy
int pthread_rwlock_rdlock
int pthread_rwlock_wrlock
int pthread_rwlock_unlock


更多有关linux中的锁问题可以参考这篇文章 ：《透过Linux内核看无锁编程》

http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-lockfree/


参考：

《linux c 编程一站式学习》

《UNP》


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