操作系统面经-多线程同步的四种方式

对于多线程程序来说，同步是指在一定的时间内只允许某一个线程来访问某个资源。而在此时间内，不允许其他的线程访问该资源。可以通过互斥锁（Mutex）、条件变量（condition variable）、读写锁（reader-writer lock）、信号量（semaphore）来同步资源。

互斥锁（Mutex）

互斥量是最简单的同步机制，即互斥锁。多个进程(线程)均可以访问到一个互斥量，通过对互斥量加锁，从而来保护一个临界区,防止其它进程(线程)同时进入临界区，保护临界资源互斥访问。

互斥锁需要满足三个条件：

互斥不同线程的临界区没有重叠
无死锁 如果一个线程正在尝试获得一个锁，那么总会成功地获得这个锁。若线程A调用lock()但是无法获得锁，则一定存在其他线程正在无穷次地执行临界区。
无饥饿 每一个试图获得锁的线程最终都能成功。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>void *function(void *arg);
pthread_mutex_t mutex;
int counter = 0;
int main(int argc, char *argv[])
{int rc1,rc2;char *str1="hello";char *str2="world";pthread_t thread1,thread2;pthread_mutex_init(&mutex,NULL);if((rc1 = pthread_create(&thread1,NULL,function,str1))){fprintf(stdout,"thread 1 create failed: %d\n",rc1);}if(rc2=pthread_create(&thread2,NULL,function,str2)){fprintf(stdout,"thread 2 create failed: %d\n",rc2);}pthread_join(thread1,NULL);pthread_join(thread2,NULL);return 0;
}void *function(void *arg)
{char *m;m = (char *)arg;pthread_mutex_lock(&mutex);while(*m != '\0'){printf("%c",*m);fflush(stdout);m++;sleep(1);}printf("\n");pthread_mutex_unlock(&mutex);
}

条件变量（condition variable）

生产者消费者问题：每次生产一个商品，发一个信号，告诉消费者“我生产商品了，快来消费”，消费者拿到生产者的条件变量后每次消费两个商品，然后发出信号“我消费了商品，你可以生产了”--_--（发的这个信号是一个条件变量，通过发送这个信号可以唤醒阻塞的线程，收到信号后，不满足需求也会继续阻塞）

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；条件变量是线程的另一种同步机制，它和互斥量是一起使用的。互斥量的目的就是为了加锁，而条件变量的结合，使得线程能够以等待的状态来迎接特定的条件发生，而不需要频繁查询锁。

#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>// 定义条件变量cond_productpthread_cond_t cond_product;// 定义条件变量cond_consumepthread_cond_t cond_consume;// 定义线程互斥锁lockpthread_mutex_t lock;//初始化函数
void init_work(void)
{
// 条件变量的初始化pthread_cond_init(&cond_product, NULL);pthread_cond_init(&cond_consume, NULL);// 线程锁的初始化pthread_mutex_init(&lock, NULL);
}//生产线程，每次生产一个产品
void* handle_product(void *arg){int i;int* product = NULL;product = (int *) arg;for(i=1; i<50; i++) {pthread_mutex_lock(&lock); //生产进程上锁，是消费进程无法改变商品个数if (*product >= 4) {
// 仓库已满，应该阻塞式等待printf("\033[43m仓库已满, 暂停生产...\033[0m\n");pthread_cond_wait(&cond_product, &lock);}printf("生产中....\n");sleep(2);printf("生产成功....\n");*product+=1;pthread_cond_signal(&cond_consume);//发出信号，条件已经满足printf("\033[32m生产一个产品,生产%d次，仓库中剩余%d个\033[0m\n",i,*product);printf ("发信号--->生产成功\n");pthread_mutex_unlock(&lock);//生产进程解锁usleep(50000);}return NULL;
}//消费线程，每次消费两个产品，消费6次间歇
void* handle_consume(void *arg){int i;int* product = NULL;product = (int *)arg;for (i=1; i<50; i++) {pthread_mutex_lock(&lock);if (*product <= 1) //消费线程每次消费2个，故总产品数量小于1即阻塞{
/* 阻塞式等待 */printf("\033[43m缺货中，请等待...\033[0m\n");pthread_cond_wait(&cond_consume, &lock);}            /* 消费产品，每次从仓库取出两个产品 */printf("消费中...\n");sleep(2);*product-=2;printf("消费完成...\n");printf("\033[31m消费两个产品,共消费%d次，仓库剩余%d个\033[0m\n",i,*product);pthread_cond_signal(&cond_product);printf ("发信号---> 已消费\n");pthread_mutex_unlock(&lock);usleep(30000);if (i%6 == 0){ //消费间歇sleep(9);}}return NULL;
}int main()
{pthread_t th_product, th_consume; //定义线程号int ret;int intrinsic = 3;
//初始化所有变量init_work();
//创建进程并传递相关参数ret = pthread_create(&th_product, 0, handle_product, &intrinsic);if (ret != 0) {perror("创建生产线程失败\n");exit(1);}ret = pthread_create(&th_consume, 0, handle_consume, &intrinsic);if (ret != 0) {perror("创建消费线程失败\n");exit(1);}pthread_join(th_product, 0);//回收生产线程pthread_join(th_consume, 0);//回收消费线程return 0;
}

读写锁（reader-writer lock）

前面介绍的互斥量加锁要么是锁状态，要么就是不加锁状态。而且只有一次只有一个线程可以对其加锁。这样的目的是为了防止变量被不同的线程修改。但是如果有线程只是想读而不会去写的话，这有不会导致变量被修改。但是如果是互斥量加锁，则读写都没有办法。这种场景不能使用互斥量，必须使用读写锁。

读写锁可以有3种状态：
1. 读模式下加锁状态
2. 写模式下加锁状态
3. 不加锁状态
一次只有一个线程可以占有写模式的读写锁，但是多个线程可以同时占有读模式的读写锁。当读写锁是写加锁状态时，在这个锁被解锁之前，所有试图对这个锁加锁的线程都会被阻塞。当读写锁在读加锁状态时，所有试图以读模式对它进行加锁的线程都可以得到访问权。但是任何希望以写模式对此锁进行加锁的线程都会阻塞。直到所有的线程释放它们的读锁为止。

读写锁非常适合于对数据结构读的次数大于写的情况。当读写锁在写模式下时，它所保护的数据结构就可以被安全地修改，因为一次只有一个线程可以在写模式下拥有这个锁。

读写锁也叫做共享互斥锁。当读写锁是读模式锁住的，就可以说是以共享模式锁住的。当它是写模式锁住的时候，就可以说成是以互斥模式锁住的。

#include <pthread.h>

Int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);

Int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

读写锁通过调用pthread_rwlock_init进行初始化。在释放读写锁占有的内存之前，需要调用pthread_rwlock_destroy做清理工作。如果pthread_rwlock_init为读写锁分配了资源，pthread_rwlock_destroy将释放这些资源。如果在调用pthread_rwlock_destroy之前就释放了读写锁占用的内存空间。那么分配给这个锁的资源就会丢失。

要在读模式下锁定读写锁，需要调用pthread_rwlock_rdlock，要在写模式下锁定读写锁，需要调用pthread_rwlock_wrlock。不管以何种方式锁住读写锁。都可以调用pthread_rwlock_unlock进行解锁。

Int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

Int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

Int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
```
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>pthread_rwlock_t rwlock;int data=1;void readerA(){while(1){pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);printf("A读者读出:%d\n",data);pthread_rwlock_unlock(&rwlock);Sleep(1000);}}void writerB(){while(1){pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);data++;printf("B作者写入:%d\n",data);pthread_rwlock_unlock(&rwlock);Sleep(1000);}}int main(){pthread_t t1;pthread_t t2;pthread_rwlock_init(&rwlock,NULL);pthread_create(&t1,NULL,readerA,NULL);pthread_create(&t2,NULL,writerB,NULL);pthread_join(t1,NULL);pthread_join(t2,NULL);pthread_rwlock_destroy(&rwlock);return 0;}
```
信号量（semaphore）

在生产者消费者模型中，对任务数量的记录就可以使用信号量来做。可以理解为带计数的条件变量。当信号量的值小于0时，工作进程或者线程就会阻塞，等待物品到来。当生产者生产一个物品，会将信号量值加1操作。这是会唤醒在信号量上阻塞的进程或者线程，它们去争抢物品。

这里用一个读写文件作为例子：

首先需要用sem_init(); 初始化sem_t型变量，并设置初始信号量。比如设置为1.

每次调用sem_wait(sem_t *); 信号量减一，当调用sem_post(sem_t *); 信号量加一。

当信号量为0时，sem_wait(); 函数阻塞，等待信号量 >0 时，才进行。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
typedef struct{sem_t *lock;int num;
}STRUCT;
void test(void * obj)
{STRUCT *point = (STRUCT *)obj;sem_t *semlock = point->lock;sem_wait(semlock);FILE *f = fopen("test.txt","a");if(f==NULL)printf("fopen is wrong\n");printf("sem_wait %d\n",point->num);int j=0;for(j=0;j<30;j++)fprintf(f,"%c111111111111\n",'a'+point->num);fclose(f);sem_post(semlock);return;
}int main()
{pthread_t pid[20];  //  pthread_t pid;int ret,i=0;STRUCT obj[13];sem_t semlock;if(sem_init(&semlock,0,1)!=0)    // 此处初始信号量设为1. 第二个参数为0表示不应用于其他进程。printf("sem_init is wrong\n");for(i=0;i<10;i++){obj[i].num = i;obj[i].lock = &semlock;ret = pthread_create(&pid[i],NULL,(void *)test,&obj[i]);if(ret!=0){printf("create thread wrong %d!!\n",i);return 0;}}for(i=0;i<10;i++)pthread_join(pid[i],NULL);  // 等待其他线程结束，如果没有这里，主线程先结束，会释放pid[]及obj[]，则出现BUG。 return 0;
}