linux系统编程（十一）线程同步（完结）（下）-阿里云开发者社区

1.3 死锁

线程试图对同一个互斥量A加锁两次。

线程1拥有A锁，请求获得B锁；线程2拥有B锁，请求获得A锁

【作业】：编写程序，实现上述两种死锁现象。

1.4 读写锁

与互斥量类似，但读写锁允许更高的并行性。其特性为：写独占，读共享。

1.4.1 读写锁状态

特别强调：读写锁只有一把，但其具备两种状态：

读模式下加锁状态 (读锁)

写模式下加锁状态 (写锁)

1.4.2 读写锁特性

1.读写锁是“写模式加锁”时，解锁前，所有对该锁加锁的线程都会被阻塞。

2.读写锁是“读模式加锁”时，如果线程以读模式对其加锁会成功；如果线程以写模式加锁会阻塞。

3.读写锁是“读模式加锁”时，既有试图以写模式加锁的线程，也有试图以读模式加锁的线程。那么读写锁会阻塞随后的读模式锁请求。优先满足写模式锁。读锁、写锁并行阻塞，写锁优先级高

读写锁也叫共享-独占锁。当读写锁以读模式锁住时，它是以共享模式锁住的；当它以写模式锁住时，它是以独占模式锁住的。写独占、读共享。

读写锁非常适合于对数据结构读的次数远大于写的情况。

1.4.3 主要应用函数

pthread_rwlock_init函数
pthread_rwlock_destroy函数
pthread_rwlock_rdlock函数  
pthread_rwlock_wrlock函数
pthread_rwlock_tryrdlock函数
pthread_rwlock_trywrlock函数
pthread_rwlock_unlock函数

以上7 个函数的返回值都是：
成功返回0， 失败直接返回错误号。 
pthread_rwlock_t类型  用于定义一个读写锁变量。
    pthread_rwlock_t rwlock;

1.4.3.1 pthread_rwlock_init函数

初始化一把读写锁

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

参2：attr表读写锁属性，通常使用默认属性，传NULL即可。

1.4.3.2 pthread_rwlock_destroy函数

销毁一把读写锁

int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

1.4.3.3 pthread_rwlock_rdlock函数

以读方式请求读写锁。（常简称为：请求读锁）

int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

1.4.3.4 pthread_rwlock_wrlock函数

以写方式请求读写锁。（常简称为：请求写锁）

int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

1.4.3.5 pthread_rwlock_unlock函数

解锁

int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

1.4.3.6 pthread_rwlock_tryrdlock函数

非阻塞以读方式请求读写锁（非阻塞请求读锁）

int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

1.4.3.7 pthread_rwlock_trywrlock函数

非阻塞以写方式请求读写锁（非阻塞请求写锁）

int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

1.4.4 读写锁示例

看如下示例，同时有多个线程对同一全局数据读、写操作。
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
int counter;
pthread_rwlock_t rwlock;
/* 3个线程不定时写同一全局资源，5个线程不定时读同一全局资源 */
void *th_write(void *arg)
{
    int t, i = (int)arg;
    while (1) {
        pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
        t = counter;
        usleep(1000);
        printf("=======write %d: %lu: counter=%d ++counter=%d\n", i, pthread_self(), t, ++counter);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        usleep(10000);
    }
    return NULL;
}
void *th_read(void *arg)
{
    int i = (int)arg;
    while (1) {
        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
        printf("----------------------------read %d: %lu: %d\n", i, pthread_self(), counter);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        usleep(2000);
    }
    return NULL;
}
int main(void)
{
    int i;
    pthread_t tid[8];
    pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);
    for (i = 0; i < 3; i++)
        pthread_create(&tid[i], NULL, th_write, (void *)i);
    for (i = 0; i < 5; i++)
        pthread_create(&tid[i+3], NULL, th_read, (void *)i);
    for (i = 0; i < 8; i++)
        pthread_join(tid[i], NULL);
    pthread_rwlock_destroy(&rwlock);
    return 0;
}

1.5 条件变量

条件变量本身不是锁！但它也可以造成线程阻塞。通常与互斥锁配合使用。给多线程提供一个会合的场所。

1.5.1 主要应用函数

pthread_cond_init函数
pthread_cond_destroy函数
pthread_cond_wait函数
pthread_cond_timedwait函数
pthread_cond_signal函数
pthread_cond_broadcast函数

以上6 个函数的返回值都是：
成功返回0， 失败直接返回错误号。
pthread_cond_t类型  用于定义条件变量
  pthread_cond_t cond;

1.5.1.1 pthread_cond_init函数

初始化一个条件变量

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);

参2：attr表条件变量属性，通常为默认值，传NULL即可
也可以使用静态初始化的方法，初始化条件变量：
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

1.5.1.2 pthread_cond_destroy函数

销毁一个条件变量

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

1.5.1.3 pthread_cond_wait函数

阻塞等待一个条件变量

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);

函数作用：

1.阻塞等待条件变量cond（参1）满足

2.释放已掌握的互斥锁（解锁互斥量）相当于pthread_mutex_unlock(&mutex);

[ 1.2.两步为一个原子操作。]

3.当被唤醒，pthread_cond_wait函数返回时，解除阻塞并重新申请获取互斥锁pthread_mutex_lock(&mutex);

1.5.1.4 pthread_cond_timedwait函数

限时等待一个条件变量

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime);
  参3： 参看man sem_timedwait函数，查看struct timespec结构体。
  struct timespec {
    time_t tv_sec;  /* seconds */ 秒
    long   tv_nsec; /* nanosecondes*/ 纳秒
  }        
形参abstime：绝对时间。          
如：time(NULL)返回的就是绝对时间。而alarm(1)是相对时间，相对当前时间定时1秒钟。 
    struct timespec t = {1, 0};
    pthread_cond_timedwait (&cond, &mutex, &t); 只能定时到 1970年1月1日 00:00:01秒(早已经过去) 
  正确用法：
    time_t cur = time(NULL); 获取当前时间。
    struct timespec t;  定义timespec 结构体变量t
    t.tv_sec = cur+1; 定时1秒
    pthread_cond_timedwait (&cond, &mutex, &t); 传参    
参APUE.11.6线程同步条件变量小节
  在讲解setitimer函数时我们还提到另外一种时间类型：
        struct timeval {
             time_t      tv_sec;  /* seconds */ 秒
             suseconds_t tv_usec;  /* microseconds */ 微秒
        };

1.5.1.5 pthread_cond_signal函数

唤醒至少一个阻塞在条件变量上的线程

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

1.5.1.6 pthread_cond_broadcast函数

唤醒全部阻塞在条件变量上的线程

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

1.5.2 生产者消费者条件变量模型

线程同步典型的案例即为生产者消费者模型，而借助条件变量来实现这一模型，是比较常见的一种方法。假定有两个线程，一个模拟生产者行为，一个模拟消费者行为。两个线程同时操作一个共享资源（一般称之为汇聚），生产向其中添加产品，消费者从中消费掉产品。
看如下示例，使用条件变量模拟生产者、消费者问题：
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
struct msg {
    struct msg *next;
    int num;
};
struct msg *head;
void err_thread(int ret,char *str)
{
        if(ret != 0){
                fprintf(stderr,"%s:%s\n",str,strerror(ret));
                pthread_exit(NULL);
        }
}
pthread_cond_t has_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void *consumer(void *p)
{
    struct msg *mp;
    for (;;) {
        pthread_mutex_lock(&lock);
        while (head == NULL) {           //头指针为空,说明没有节点    可以为if吗 可以，一个消费者可以用if,多个消费者要用while
            pthread_cond_wait(&has_product, &lock);
        }
        mp = head;      
        head = mp->next;        //模拟消费掉一个产品
        pthread_mutex_unlock(&lock);
        printf("-Consume ---%d\n", mp->num);
        free(mp);
        sleep(rand() % 5);
    }
}
void *producer(void *p)
{
    struct msg *mp;
    while (1) {
        mp = malloc(sizeof(struct msg));
        mp->num = rand() % 1000 + 1;        //模拟生产一个产品
        printf("-Produce ---%d\n", mp->num);
        pthread_mutex_lock(&lock);
        mp->next = head;
        head = mp;
        pthread_mutex_unlock(&lock);
        pthread_cond_signal(&has_product);  //将等待在该条件变量上的一个线程唤醒
        sleep(rand() % 5);
    }
}
int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t pid, cid;
    srand(time(NULL));
    pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);
    if(ret != 0)
            err_thread(ret,"pthread_create produser error");
    pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);
    if(ret != 0)
            err_thread(ret,"pthread_create produser error");
    pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);
    if(ret != 0)
            err_thread(ret,"pthread_create produser error");
    pthread_join(pid, NULL);
    pthread_join(cid, NULL);
    return 0;
}

1.5.3 条件变量的优点

相较于mutex而言，条件变量可以减少竞争。

如直接使用mutex，除了生产者、消费者之间要竞争互斥量以外，消费者之间也需要竞争互斥量，但如果汇聚（链表）中没有数据，消费者之间竞争互斥锁是无意义的。有了条件变量机制以后，只有生产者完成生产，才会引起消费者之间的竞争。提高了程序效率。

1.6 信号量（既可以用在线程也可以用在进程）

进化版的互斥锁（1 --> N）

由于互斥锁的粒度比较大，如果我们希望在多个线程间对某一对象的部分数据进行共享，使用互斥锁是没有办法实现的，只能将整个数据对象锁住。这样虽然达到了多线程操作共享数据时保证数据正确性的目的，却无形中导致线程的并发性下降。线程从并行执行，变成了串行执行。与直接使用单进程无异。

信号量，是相对折中的一种处理方式，既能保证同步，数据不混乱，又能提高线程并发。

1.6.1 主要应用函数

sem_init函数
  sem_destroy函数
  sem_wait函数
  sem_trywait函数 
  sem_timedwait函数 
  sem_post函数
以上6 个函数的返回值都是：
成功返回0， 失败返回-1，同时设置errno。(注意，它们没有pthread前缀)
  sem_t类型，本质仍是结构体。但应用期间可简单看作为整数，忽略实现细节（类似于使用文件描述符）。 
  sem_t sem; 
规定信号量sem不能 < 0。
头文件 <semaphore.h>

1.6.1.1 信号量基本操作

sem_wait:     1. 信号量大于0，则信号量--  （类比pthread_mutex_lock）
   |    2. 信号量等于0，造成线程阻塞
  对应
   |
  sem_post： 将信号量++，同时唤醒阻塞在信号量上的线程 （类比pthread_mutex_unlock）
但，由于sem_t的实现对用户隐藏，所以所谓的++、--操作只能通过函数来实现，而不能直接++、--符号。
信号量的初值，决定了占用信号量的线程的个数。

1.6.1.2 sem_init函数

初始化一个信号量
  int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
参1：sem信号量 
参2：pshared取0用于线程间；取非0（一般为1）用于进程间  
参3：value指定信号量初值

1.6.1.3 sem_destroy函数

销毁一个信号量
int sem_destroy(sem_t *sem);

1.6.1.4 sem_wait函数

给信号量加锁 --
int sem_wait(sem_t *sem);

1.6.1.5 sem_post函数

给信号量解锁 ++
int sem_post(sem_t *sem);

1.6.1.6 sem_trywait函数

尝试对信号量加锁 -- (与sem_wait的区别类比lock和trylock)
  int sem_trywait(sem_t *sem);

1.6.1.7 sem_timedwait函数

限时尝试对信号量加锁 --
  int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);
  参2：abs_timeout采用的是绝对时间。   
  定时1秒：
  time_t cur = time(NULL); 获取当前时间。
  struct timespec t;  定义timespec 结构体变量t
  t.tv_sec = cur+1; 定时1秒
  t.tv_nsec = t.tv_sec +100; 
  sem_timedwait(&sem, &t); 传参

1.6.2 生产者消费者信号量模型

【练习】：使用信号量完成线程间同步，模拟生产者，消费者问题。    
【sem_product_consumer.c】
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <semaphore.h>
#define NUM 5
int queue[NUM];
sem_t blank_number,product_number;
void *producer(void *arg)
{
  int i = 0;
  while(1){
  sem_wait(&blank_number);
  queue[i] = rand()% 1000 +1;
  printf("-------Produce----%d\n",queue[i]);
  sem_post(&product_number);
  i = (i+1) % NUM;
  sleep(rand()%1);
  } 
}
void *consumer(void *arg)
{
  int i = 0;
  while(1){
  sem_wait(&product_number);
  printf("-Consume---%d\n",queue[i]);
  queue[i] = 0;
  sem_post(&blank_number);
  i = (i+1)%NUM;
  sleep(rand()%3);
  }
}
int main(int argc,char *argv[])
{
  pthread_t pid,cid;
  sem_init(&blank_number, 0,NUM);
  sem_init(&product_number,0,0);
  pthread_create(&pid,NULL,producer,NULL);
  pthread_create(&cid,NULL,consumer,NULL);
  pthread_join(pid,NULL);
  pthread_join(cid,NULL);
  sem_destroy(&blank_number);
  sem_destroy(&product_number);
  return 0;
}

分析：

规定：如果□中有数据，生产者不能生产，只能阻塞。

如果□中没有数据，消费者不能消费，只能等待数据。

定义两个信号量：S满 = 0， S空 = 1 （S满代表满格的信号量，S空表示空格的信号量，程序起始，格子一定为空）

所以有： T生产者主函数 { T消费者主函数 {

sem_wait(S空); sem_wait(S满);

生产.... 消费....

sem_post(S满); sem_post(S空);

} }

假设：线程到达的顺序是:T生、T生、T消。

那么： T生1 到达，将S空-1，生产，将S满+1

T生2 到达，S空已经为0，阻塞

T消到达，将S满-1，消费，将S空+1

三个线程到达的顺序是：T生1、T生2、T消。而执行的顺序是T生1、T消、T生2

这里，S空表示空格子的总数，代表可占用信号量的线程总数-->1。其实这样的话，信号量就等同于互斥锁。

但，如果S空=2、3、4……就不一样了，该信号量同时可以由多个线程占用，不再是互斥的形式。因此我们说信号量是互斥锁的加强版。

【推演练习】：理解上述模型，推演，如果是两个消费者，一个生产者，是怎么样的情况。

【作业】：结合生产者消费者信号量模型，揣摩sem_timedwait函数作用。编程实现，一个线程读用户输入，另一个线程打印“hello world”。如果用户无输入，则每隔5秒向屏幕打印一个“hello world”；如果用户有输入，立刻打印“hello world”到屏幕。

linux系统编程（十一）线程同步（完结）（下）