Linux编程基础 6.2：线程同步

2 线程同步

线程同步中的“同步”与生活中大家认知的“同步”略有不同，“同”不指同时，其主旨在于协同步调，按预定的先后次序执行线程；
之所以需要实现线程同步，是因为若不对线程的执行次序加以控制，可能会出现数据混乱。

出现与事件有关的错误的原因有三个：

（1）资源共享；
（2）调度随机；
（3）线程间缺乏必要的同步机制。

Linux系统实现线程同步的方式常用的有三种：

互斥锁；
条件变量；
信号量。

2.1 互斥锁

使用互斥锁的实现线程同步时主要操作分为四步：
①初始化互斥锁：pthread_mutex_init
②加锁：pthread_mutex_lock
③解锁：pthread_mutex_unlock
④销毁锁：pthread_mutxe_destroy

2.1.1 初始化互斥锁

#include <pthread.h>int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

功能：初始化互斥锁。

参数说明：

mutex：一个传入传出参数：
– ①pthread_mutext_t的本质是结构体，为简化理解，读者可将其视为整型；
– ②变量mutex只有两种取值：0和1，加锁：mutex-1；解锁：mutex+1；
– ③参数mutex之前的restrict是一个关键字，该关键字用于限制指针，功能是告诉编译器，所有修改该指针指向内容的操作，只能通过本指针完成。
attr：一个传入传出参数，代表互斥量的属性，通常传NULL，表示使用默认属性。

返回值说明：

成功：返回0；
不成功：返回errno，errno的常见取值为EAGAIN和EDEADLK，其中EAGAIN表示超出互斥锁递归锁定的最大次数，因此无法获取该互斥锁；EDEADLK表示当前线程已有互斥锁，二次加锁失败。

2.1.2 加锁

#include <pthread.h>int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

功能：锁定指定互斥量。

参数说明：

mutex：待锁定的互斥量。

返回值说明：

成功：返回0；
不成功：返回errno。

#include <pthread.h>int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

功能：尝试加锁，若锁正在被使用，不阻塞等待，而是直接返回并返回错误号。

参数说明：

mutex：待锁定的互斥量。

返回值说明：

成功：返回0；
不成功：返回errno，其中常见的errno有两个，分别为EBUSY和EAGAIN，它们代表的含义如下：
– EBUSY：参数mutex指向的互斥锁已锁定；
– EAGAIN：超过互斥锁递归锁定的最大次数。

2.1.3 解锁

#include <pthread.h>int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

功能：为指定互斥量解锁。

参数说明：

mutex：待解锁的互斥量。

返回值说明：

成功：返回0；
不成功：返回errno。

2.1.4 销毁锁

#include <pthread.h>int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

功能：为指定互斥量销毁。

参数说明：

mutex：待销毁的互斥量。

返回值说明：

成功：返回0；
不成功：返回errno。

【案例 1】在原线程和新线程中分别进行打印操作，使原线程分别打印“HELLO”、“ WORLD”，新线程分别打印“hello”、“world”。

//未添加mutex
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
void *tfn(void *paraArg) {srand(time(NULL));while (1) {printf("hello ");//模拟长时间操作共享资源，导致cpu易主，产生与时间有关的错误sleep(rand() % 3);printf("world\n");sleep(rand() % 3);}//of whilereturn NULL;
}//of tfn
int main(void) {pthread_t tempTid;srand(time(NULL));pthread_create(&tempTid, NULL, tfn, NULL);while (1) {printf("HELLO ");sleep(rand() % 3);printf("WORLD\n");sleep(rand() % 3);}//of whilepthread_join(tempTid, NULL);return 0;
}//of main

未添加互斥量，会导致打印乱序。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
pthread_mutex_t globMutux;						//定义互斥锁
void err_thread(int paraRet, char *paraStr) {if (paraRet != 0) {fprintf(stderr, "%s:%s\n", paraStr, strerror(paraRet));pthread_exit(NULL);}//of if
}//of err_thread
void *tfn(void *paraArg) {srand(time(NULL));while (1) {pthread_mutex_lock(&globMutux);     		//加锁：m--printf("hello ");//模拟长时间操作共享资源，导致cpu易主，产生与时间有关的错误sleep(rand() % 3);printf("world\n");pthread_mutex_unlock(&globMutux);   		//解锁：m++sleep(rand() % 3);}//of whilereturn NULL;
}//of tfn
int main(void) {pthread_t tempTid;srand(time(NULL));int tempFlag = 5;pthread_mutex_init(&globMutux, NULL);        	//初始化mutex：m=1int tempRet = pthread_create(&tempTid, NULL, tfn, NULL);err_thread(tempRet, "pthread_create error");while (tempFlag--) {pthread_mutex_lock(&globMutux);     		//加锁：m--printf("HELLO ");sleep(rand() % 3);printf("WORLD\n");pthread_mutex_unlock(&globMutux);     	//解锁：m--sleep(rand() % 3);}//of whilepthread_cancel(tempTid);pthread_join(tempTid, NULL);pthread_mutex_destroy(&globMutux);return 0;
}//of main

2.2 条件变量

使用条件变量控制线程同步时，线程访问共享资源的前提，是程序中设置的条件变量得到满足。条件变量不会对共享资源加锁，但也会使线程阻塞，若线程不满足条件变量规定的条件，就会进入阻塞状态直到条件满足。
条件变量的使用分为以下四个步骤：

（1）初始化条件变量：pthread_cond_init()；
（2）等待条件变量满足：pthread_cond_wait()；
（3）唤醒阻塞线程：pthread_cond_signal()、pthread_cond_broadcast()；
（4）释放条件变量：pthread_cond_destroy()。

2.2.1 初始化条件变量

#include <pthread.h>int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,const pthread_condattr_t *restrict attr);

功能：初始化条件变量。

参数说明：

cond：代表条件变量，一个指向pthread_cond_t的结构体指针，pthread_cond_t是Linux系统定义的条件变量类型；
attr：代表条件变量的属性：
– NULL：表示使用默认属性初始化条件变量；
– PTHREAD_PROCESS_PRIVATE：表示当前进程中的线程共用此条件变量；
– PTHREAD_PROCESS_SHARED：表示多个进程间的线程共用条件变量。

返回值说明：

成功：返回0；
不成功：返回-1并设置errno。

2.2.2 等待条件变量满足

#include <pthread.h>int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex);

功能：使线程进入阻塞状态，等待一个条件变量后继续执行。pthread_cond_wait类似于互斥锁的pthread_mutex_lock函数，但其功能更为丰富，它的工作机制如下：

（1）阻塞等待条件变量cond满足；
（2）解除已绑定的互斥锁（类似于pthread_mutex_unlock）；
（3）当线程被唤醒，pthread_cond_wait函数返回，pthread_cond_wait函数同时会解除线程阻塞，并使线程重新申请绑定互斥锁。

条件变量控制流程示意图

参数说明：

cond：代表条件变量，一个指向pthread_cond_t的结构体指针，pthread_cond_t是Linux系统定义的条件变量类型；
mutex：代表与当前线程绑定的互斥锁。

返回值说明：

成功：返回0；
不成功：返回-1并设置errno。

#include <pthread.h>int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex,const struct timespec *restrict abstime);
struct timespec {time_t tv_sec;		//秒long tv_nsec;		//纳秒
};

功能：使线程阻塞等待条件变量，不同的是，该函数可以指定线程的阻塞时长，若等待超时，该函数便会返回。

参数说明：

cond：代表条件变量，一个指向pthread_cond_t的结构体指针，pthread_cond_t是Linux系统定义的条件变量类型；
mutex：代表与当前线程绑定的互斥锁;
abstime：等待时长。

返回值说明：

成功：返回0；
不成功：返回-1并设置errno。

2.2.3 唤醒条件变量

#include <pthread.h>int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

功能：在条件变量满足之后，以信号的形式唤醒阻塞在该条件变量的一个线程。处于阻塞状态中的线程的唤醒顺序由调度策略决定。

参数说明：

cond：代表条件变量，一个指向pthread_cond_t的结构体指针，pthread_cond_t是Linux系统定义的条件变量类型。

返回值说明：

成功：返回0；
不成功：返回-1并设置errno。

#include <pthread.h>int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

功能：唤醒阻塞在指定条件变量的线程，不同的是，该函数会以广播的形式，唤醒阻塞在该条件变量上的所有线程。

参数说明：

cond：代表条件变量，一个指向pthread_cond_t的结构体指针，pthread_cond_t是Linux系统定义的条件变量类型。

返回值说明：

成功：返回0；
不成功：返回-1并设置errno。

2.2.4 销毁条件变量

#include <pthread.h>int pthread_cond_destory(pthread_cond_t *cond);

功能：当没有线程在等待参数cond指定的条件变量时，才可以销毁条件变量。

参数说明：

cond：代表条件变量，一个指向pthread_cond_t的结构体指针，pthread_cond_t是Linux系统定义的条件变量类型。

返回值说明：

成功：返回0；
不成功：返回EBUSY。

【案例2】生产者-消费者模型是线程同步中的一个经典案例。假设有两个线程，这两个线程同时操作一个共享资源（一般称为汇聚），其中一个模拟生产者行为，生产共享资源，当容器存满时，生产者无法向其中放入产品；另一个线程模拟消费者行为，消费共享资源，当产品数量为0时，消费者无法获取产品，应阻塞等待。显然，为防止数据混乱，每次只能由生产者、消费者中的一个，操作共享资源。本案例要求使用程序实现简单的生产者-消费者模型（可假设容器无限大）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
struct msg {struct msg *next;int num;
};
struct msg *globHead;
pthread_cond_t globHasProduct = PTHREAD_COND_INITIALIZER;	//初始化条件变量
pthread_mutex_t globLock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;		//初始化互斥锁
//消费者
void *consumer(void *paraP) {struct msg *tempMsgP;for (;;) {pthread_mutex_lock(&globLock);						//加锁//若头结点为空，表明产品数量为0，消费者无法消费产品while (globHead == NULL) {pthread_cond_wait(&globHasProduct, &globLock);		//阻塞等待并解锁}//of whiletempMsgP = globHead;globHead = tempMsgP->next;    					//模拟消费一个产品pthread_mutex_unlock(&globLock);printf("-Consume ---%d\n", tempMsgP->num);free(tempMsgP);sleep(rand() % 5);}//of for
}//of consumer
//生产者
void *producer(void *paraP) {struct msg *tempMsgP;while (1) {tempMsgP = malloc(sizeof(struct msg));tempMsgP->num = rand() % 1000 + 1;        	//模拟生产一个产品printf("-Produce ---%d\n", tempMsgP->num);pthread_mutex_lock(&globLock);				//加锁tempMsgP->next = globHead;					//插入结点（添加产品）globHead = tempMsgP;pthread_mutex_unlock(&globLock);				//解锁pthread_cond_signal(&globHasProduct);  		//唤醒等待在该条件变量上的一个线程sleep(rand() % 5);}//of while
}//of producer
int main(int argc, char *argv[]) {pthread_t tempPid, tempCid;srand(time(NULL));//创建生产者、消费者线程pthread_create(&tempPid, NULL, producer, NULL);pthread_create(&tempCid, NULL, consumer, NULL);//回收线程pthread_join(tempPid, NULL);pthread_join(tempCid, NULL);return 0;
}//of main

2.3 信号量

使用信号量实现线程同步时，线程在访问共享资源时会根据操作类型执行如下操作：

若有线程申请访问共享资源，系统会执行P操作使共享资源计数减一；
若有线程释放共享资源，系统会执行V操作使共享资源计数加一。

信号量的使用也分为四个步骤：

（1）初始化信号量：sem_init()；
（2）阻塞等待信号量：sem_wait()；
（3）唤醒阻塞线程：sem_post()；
（4）释放信号量：sem_destroy()。

2.3.1 初始化信号量

#include <pthread.h>int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

功能：初始化信号量。

参数说明：

sem：指向信号量变量的指针;
pshared：用于控制信号量的作用范围，其取值通常为0与非0：
– 当pshared被设置为0时，信号量将会被放在进程中所有线程可见的地址内，由进程中的线程共享；
– 当pshared被设置为非0值时，信号量将会被放置在共享内存区域，由所有进程共享。
value：设置信号量sem的初值。

返回值说明：

成功：返回0；
不成功：返回-1，并设置errno。

2.3.2 阻塞等待信号量

#include <pthread.h>int sem_wait(sem_t *sem);

功能：阻塞等待信号量，sem_wait函数对应P操作，若调用成功，则会使信号量sem的值减一。

参数说明：

sem：指向信号量变量的指针。

返回值说明：

成功：返回0；
不成功：返回-1，并设置errno。

2.3.3 唤醒阻塞线程

#include <pthread.h>int sem_post(sem_t *sem);

功能：唤醒阻塞线程，sem_post函数对应V操作，若调用成功，则会使信号量sem的值加一。

参数说明：

sem：指向信号量变量的指针。

返回值说明：

成功：返回0；
不成功：返回-1，并设置errno。

2.3.4 释放信号量

#include <pthread.h>int sem_destroy(sem_t *sem);

功能：与互斥锁类似，信号量也是一种系统资源，使用完毕之后应主动回收，函数调用成功，则会使信号量sem的值加一。

参数说明：

sem：指向信号量变量的指针。

返回值说明：

成功：返回0；
不成功：返回-1，并设置errno。

2.3.5 获取信号量

#include <pthread.h>int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);

功能：获取系统中当前信号量的值。

参数说明：

sem：指向信号量变量的指针；
sval：个传入指针，用于获取信号量的值，信号量sem的值会被存储在参数sval中。

返回值说明：

成功：返回0；
不成功：返回-1，并设置errno。

【案例 3】实现一个模拟生产者-消费者模型，但对生产者进行限制：若容器已满，生产者不能生产，需等待消费者消费。

#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <semaphore.h>
#define NUM 5 
int globQueue[NUM];                         //全局数组实现环形队列
sem_t globBlankNum, globProductNum;   		//空格子信号量, 产品信号量
void *producer(void *paraArg) {int i = 0;while (1) {sem_wait(&globBlankNum);       		//生产者将空格子数--,为0则阻塞等待globQueue[i] = rand() % 1000 + 1;   //生产一个产品printf("----Produce---%d\n", globQueue[i]);sem_post(&globProductNum);          //将产品数++i = (i + 1) % NUM;                  //借助下标实现环形sleep(rand() % 1);}//of while
}//of producer
void *consumer(void *paraArg) {int i = 0;while (1) {sem_wait(&globProductNum); 		//消费者将产品数--,为0则阻塞等待printf("-Consume---%d\t%lu\n", globQueue[i], pthread_self());globQueue[i] = 0;               //消费一个产品 sem_post(&globBlankNum);        //消费掉以后,将空格子数++i = (i + 1) % NUM;sleep(rand() % 1);}//of while
}//of consumer
int main(int paraArgc, char *paraArgv[]) {pthread_t tempPid, tempCid;sem_init(&globBlankNum, 0, NUM);    //初始化空格子信号量为5sem_init(&globProductNum, 0, 0);    //初始化产品数信号量为0pthread_create(&tempPid, NULL, producer, NULL);pthread_create(&tempCid, NULL, consumer, NULL);pthread_create(&tempCid, NULL, consumer, NULL);pthread_join(tempPid, NULL);pthread_join(tempCid, NULL);sem_destroy(&globBlankNum);sem_destroy(&globProductNum);return 0;
}//of main