操作系统中的并发控制——使用条件变量同步

本期主题:
操作系统中的并发控制,条件变量


往期链接:

  • linux设备驱动中的并发
  • 操作系统中的多线程问题——原子操作、自旋锁的底层实现
  • 操作系统并发控制——使用互斥锁实现同步

操作系统并发控制之条件变量同步

  • 1. 问题描述
  • 2. 条件变量的API讲解
  • 3. 条件变量来解决上述同步
  • 4. 问题分析及修复


1. 问题描述

参考上一篇文章 操作系统并发控制——使用互斥锁实现同步 的问题,还是这个场景:
典型的同步场景—— 生产者、消费者问题

  • 生产者:生产(任务)资源,放入队列中
  • 消费者:从队列中取出任务来执行

假设这么一个场景:

  1. 生产者任务负责打印 左括号,“(”
  2. 消费者任务负责打印 右括号,“)”
  3. 括号的深度可以变化,例如 3就是代表最多同时3个左括号
  4. 最终打印出来的括号要符合语法,这就需要 先生产再消费(即先打印左括号,再打印右括号)

2. 条件变量的API讲解

条件变量的概念:

  1. 条件变量 用于线程之间的通信。
  2. 一个线程等待某个条件满足,而另一个线程在条件满足时发出信号通知等待的线程继续执行。
  3. 需要结合 互斥锁,以防止多个线程同时修改共享数据。

pthread_cond_wait()

使线程进入等待状态,直到接收到另一个线程发出的条件信号。调用时必须持有互斥锁,并且当该函数被调用时,会自动释放互斥锁,直到线程被唤醒后再重新获取锁。

pthread_cond_signal()

发送信号唤醒等待条件的一个线程。如果有多个线程在等待,只唤醒其中一个。

pthread_cond_broadcast()

唤醒所有等待该条件的线程。

3. 条件变量来解决上述同步

对于生产者任务而言:

  1. 进程进来先拿锁
  2. 拿完锁,判断是否当前有n个左括号,条件满足的话就使用cond_wait(),释放锁并进入休眠,否则打印然后释放锁

对于消费者任务而言:

  1. 进程进来先拿锁
  2. 拿完锁,判断现在左括号是否为0,条件满足的话就使用cond_wait(),释放锁并进入休眠,否则打印然后释放锁

这里用条件变量比上篇文章只用互斥的好处在于:
在这里插入图片描述

看代码:

#include "thread.h"
#include "thread-sync.h"int n, count = 0;
mutex_t lk = MUTEX_INIT();
cond_t cv = COND_INIT();void Tproduce() {while (1) {mutex_lock(&lk);if (count == n) {cond_wait(&cv, &lk);}printf("("); count++;cond_signal(&cv);mutex_unlock(&lk);}
}void Tconsume() {while (1) {mutex_lock(&lk);if (count == 0) {cond_wait(&cv, &lk);}printf(")"); count--;cond_signal(&cv);mutex_unlock(&lk);}
}int main(int argc, char *argv[]) {assert(argc == 2);n = atoi(argv[1]);setbuf(stdout, NULL);for (int i = 0; i < 2; i++) {create(Tproduce);create(Tconsume);}
}

运行结果:
在这里插入图片描述
我们发现有问题

4. 问题分析及修复

在这里插入图片描述
修改方案:

  1. 进入休眠的条件不能只用 if 判断一次,因为不知道是谁唤醒的自己
  2. 条件signal的时候,需要广播,唤醒所有的

改后代码如下:

#include "thread.h"
#include "thread-sync.h"int n, count = 0;
mutex_t lk = MUTEX_INIT();
cond_t cv = COND_INIT();void Tproduce() {while (1) {mutex_lock(&lk);while (count == n) {cond_wait(&cv, &lk);}printf("("); count++;cond_broadcast(&cv);mutex_unlock(&lk);}
}void Tconsume() {while (1) {mutex_lock(&lk);while (count == 0) {cond_wait(&cv, &lk);}printf(")"); count--;cond_broadcast(&cv);mutex_unlock(&lk);}
}int main(int argc, char *argv[]) {assert(argc == 2);n = atoi(argv[1]);setbuf(stdout, NULL);for (int i = 0; i < 2; i++) {create(Tproduce);create(Tconsume);}
}

这样就OK了,测试结果:
在这里插入图片描述

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