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。
