Linux之线程同步篇

发布时间:2014-10-25 2:23:56
来源:分享查询网

  进行多线程编程,最头疼的就是那些共享的数据。因为你无法知道哪个线程会在哪个时候对它进行操作,你也无法得知那个线程会先运行,哪个线程会后运行。下面介绍一些技术,通过他们,你会合理安排你的线程之间对资源的竞争。 l         互斥体Mutex l         信号灯Semophore l         条件变量Conditions 先说一下互斥量。 什么时候会用上互斥量了?比如你现在有一全局链表,你有几个工作线程。每一个线程从该链表中取出头节点,然后对该头节点进行处理。比如现在线程1正在取出头节点,他的操作如下: Item * p =queue_list; Queue_list=queue_list->next; Process_job(p); Free(p); 当线程1处理完第一步,也就是Item *p=queue_list后,这时候系统停止线程1的运行,改而运行线程2。线程2照样取出头节点,然后进行处理,最后释放了该节点。过了段时间,线程1重新得到运行。而这个时候,其实p所指向的节点已经被线程2释放掉,而线程1对此毫无知晓。他会接着运行process_job(p)。而这将导致无法预料的后果! 对于这种情况,系统给我们提供了互斥量。你在取出头节点前必须要等待互斥量,如果此时有其他线程已经获得该互斥量,那么线程将会阻塞在这个地方。只有等到其他线程释放掉该互斥量后,你的线程才有可能得到该互斥量。为什么是可能了?因为可能此时有不止你一个线程在等候该互斥量,而系统无法保证你的线程将会优先运行。 互斥量的类型为pthread_mutex_t。你可以声明多个互斥量。在声明该变量后,你需要调用pthread_mutex_init()来创建该变量。pthread_mutex_init的格式如下: int  pthread_mutex_init(pthread_mutex_t  *mutex,  const  pthread_mutex-        attr_t *mutexattr); 第一个参数,mutext,也就是你之前声明的那个互斥量,第二个参数为该互斥量的属性。这个将在后面详细讨论。 在创建该互斥量之后,你便可以使用它了。要得到互斥量,你需要调用下面的函数: int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); 该函数用来给互斥量上锁,也就是我们前面所说的等待操作。互斥量一旦被上锁后,其他线程如果想给该互斥量上锁,那么就会阻塞在这个操作上。如果在此之前该互斥量已经被其他线程上锁,那么该操作将会一直阻塞在这个地方,直到获得该锁为止。 在得到互斥量后,你就可以进入关键代码区了。 同样,在操作完成后,你必须调用下面的函数来给互斥量解锁,也就是前面所说的释放。这样其他等待该锁的线程才有机会获得该锁,否则其他线程将会永远阻塞。 int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex); 下面给出一个简单的例子: #include <malloc.h> #include <pthread.h> struct job { /* Link field for linked list. */ struct job* next; /* Other fields describing work to be done... */ }; /* A linked list of pending jobs. */ struct job* job_queue; /* A mutex protecting job_queue. */ pthread_mutex_t job_queue_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; /* Process queued jobs until the queue is empty. */ void* thread_function (void* arg) { while (1) { struct job* next_job; /* Lock the mutex on the job queue. */ pthread_mutex_lock (&job_queue_mutex); /* Now it’s safe to check if the queue is empty. */ if (job_queue == NULL) next_job = NULL; else { /* Get the next available job. */ next_job = job_queue; /* Remove this job from the list. */ job_queue = job_queue->next; } /* Unlock the mutex on the job queue because we’re done with the queue for now. */ pthread_mutex_unlock (&job_queue_mutex); /* Was the queue empty? If so, end the thread. */ if (next_job == NULL) break; /* Carry out the work. */ process_job (next_job); /* Clean up. */ free (next_job); } return NULL; }   在这个例子中我们使用了下面一条语句: pthread_mutex_t job_queue_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;        他的作用和调用pthread_mutex_init()函数一样。   如果一个线程已经给一个互斥量上锁了,后来在操作的过程中又再次调用了该上锁的操作,那么该线程将会无限阻塞在这个地方,从而导致死锁。怎么变了?这就需要我们之前所提到的互斥量的属性。 互斥量分为下面三种: l         快速型。这种类型也是默认的类型。该线程的行为正如上面所说的。 l         递归型。如果遇到我们上面所提到的死锁情况,同一线程循环给互斥量上锁,那么系统将会知道该上锁行为来自同一线程,那么就会同意线程给该互斥量上锁。 l         错误检测型。如果该互斥量已经被上锁,那么后续的上锁将会失败而不会阻塞,pthread_mutex_lock()操作将会返回EDEADLK。 互斥量的属性类型为pthread_mutexattr_t。声明后调用pthread_mutexattr_init()来创建该互斥量。然后调用int pthread_mutexattr_settype(pthread_mutexattr_t *attr, int kind);来设置属性。int pthread_mutexattr_settype(pthread_mutexattr_t *attr, int kind);格式如下: int pthread_mutexattr_settype(pthread_mutexattr_t *attr, int kind); 第一个参数,attr,就是前面声明的属性变量,第二个参数,kind,就是我们要设置的属性类型。他有下面几个选项: l         PTHREAD_MUTEX_FAST_NP l         PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP l         PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP 下面给出一个使用属性的简单过程: pthread_mutex_t mutex; pthread_mutexattr_t attr; pthread_mutexattr_init(&attr); pthread_mutexattr_settype(&attr,PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP); pthread_mutex_init(&mutex,&attr); pthread_mutex_destroy(&attr);   前面我们提到在调用pthread_mutex_lock()的时候,如果此时mutex已经被其他线程上锁,那么该操作将会一直阻塞在这个地方。如果我们此时不想一直阻塞在这个地方,那么可以调用下面函数: pthread_mutex_trylock() 如果此时互斥量没有被上锁,那么pthread_mutex_trylock()将会返回0,并会对该互斥量上锁。如果互斥量已经被上锁,那么会立刻返回EBUSY。   上面谈到的是使用互斥量。如果碰到下面这种情况,该怎么办了? 还是上面程序中提到的工作链表。此时必然有一个生产者线程,用于往链表里添加节点。如果这一段时间没有工作,那么工作线程将会不停的调用lock,unlock操作。而这样的操作毫无疑义。 在这里系统给我们提供了另外一种同步机制,信号灯,Semaphore。 信号灯其实就是一个计数器,也是一个整数。每一次调用wait操作将会使semaphore值减一,而如果semaphore值已经为0,则wait操作将会阻塞。每一次调用post操作将会使semaphore值加一。将这些操作用到上面的问题中。工作线程每一次调用wait操作,如果此时链表中没有节点,则工作线程将会阻塞,直到链表中有节点。生产者线程在每次往链表中添加节点后调用post操作,信号灯值会加一。这样阻塞的工作线程就会停止阻塞,继续往下执行。 信号灯的类型为sem_t。在声明后必须调用sem_init()。需要传递两个参数,第一个参数就是你之前声明的sem_t变量,第二个必须为0。当你不再需要信号灯时,你必须调用sem_destroy()来释放资源。 等待信号灯的操作为sem_wait()。投递一个信号的操作为sem_wait()。和互斥量一样,等待信号灯也有一个非阻塞的操作,sem_trywait()。该操作在没有信号灯的时候返回EAGAIN。 下面是一个结合了互斥量和信号灯的例子: #include <malloc.h> #include <pthread.h> #include <semaphore.h> struct job { /* Link field for linked list. */ struct job* next; /* Other fields describing work to be done... */ }; /* A linked list of pending jobs. */ struct job* job_queue; /* A mutex protecting job_queue. */ pthread_mutex_t job_queue_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; /* A semaphore counting the number of jobs in the queue. */ sem_t job_queue_count; /* Perform one-time initialization of the job queue. */ void initialize_job_queue () { /* The queue is initially empty. */ job_queue = NULL; /* Initialize the semaphore which counts jobs in the queue. Its initial value should be zero. */ sem_init (&job_queue_count, 0, 0); } /* Process queued jobs until the queue is empty. */ void* thread_function (void* arg) { while (1) { struct job* next_job; /* Wait on the job queue semaphore. If its value is positive, indicating that the queue is not empty, decrement the count by 1. If the queue is empty, block until a new job is enqueued. */ sem_wait (&job_queue_count); /* Lock the mutex on the job queue. */ pthread_mutex_lock (&job_queue_mutex); /* Because of the semaphore, we know the queue is not empty. Get the next available job. */ next_job = job_queue; /* Remove this job from the list. */ job_queue = job_queue->next; /* Unlock the mutex on the job queue because we’re done with the queue for now. */ pthread_mutex_unlock (&job_queue_mutex); /* Carry out the work. */ process_job (next_job); /* Clean up. */ free (next_job); } return NULL; } /* Add a new job to the front of the job queue. */ void enqueue_job (/* Pass job-specific data here... */) { struct job* new_job; /* Allocate a new job object. */ new_job = (struct job*) malloc (sizeof (struct job)); /* Set the other fields of the job struct here... */ /* Lock the mutex on the job queue before accessing it. */ pthread_mutex_lock (&job_queue_mutex); /* Place the new job at the head of the queue. */ new_job->next = job_queue; job_queue = new_job; /* Post to the semaphore to indicate that another job is available. If threads are blocked, waiting on the semaphore, one will become unblocked so it can process the job. */ sem_post (&job_queue_count); /* Unlock the job queue mutex. */ pthread_mutex_unlock (&job_queue_mutex); }       下面说一下第三种同步机制—条件变量。 如果现在在等待一个信号。如果该信号被设置,则继续运行。如果没有条件变量,我们将会不停的去查询该信号是否被设置,这样就会浪费大量的cpu。而通过使用条件变量,我们就可以将等待信号的线程阻塞,直到有信号的时候再去唤醒它。 条件变量的类型是pthread_cond_t。 下面简单说一下如何使用条件变量。 l         声明pthread_cond_t变量后,调用pthread_cond_init()函数,第一个参数为之前声明的变量。第二个参数在Linux中不起作用。 l         声明一个pthread_mutex_t变量,并调用pthread_mutex_init()初始化。 l         调用pthread_cond_signal(),发出信号。如果此时有线程在等待该信号,那么该线程将会唤醒。如果没有,该信号就会别忽略。 l         如果想唤醒所有等待该信号的线程,调用pthread_cond_broadcast()。 l         调用pthread_cond_wait()等待信号。如果没有信号,线程将会阻塞,直到有信号。该函数的第一个参数是条件变量,第二个参数是一个mutex。在调用该函数之前必须先获得互斥量。如果线程阻塞,互斥量将立刻会被释放。 下面给出一个简单的使用例子。 #include <pthread.h> #include <stdio.h>   pthread_mutex_t mutex; pthread_cond_t cond; int flag; void init() { pthread_mutex_init(&mutex,NULL); pthread_cond_init(&cond,NULL); flag=0; }   void * Thread_Function(void * arg) { //loop infinitely while(1) {       pthread_mutex_lock(&mutex);       while(!flag)            pthread_cond_wait(&cond,&mutex);       pthread_mutex_unlock(&mutex);         do_some_work(); } }   void SetFlag() {       pthread_mutex_lock(&mutex);       flag=1;       pthread_cond_signal(&cond);       pthread_mutex_unlock(&mutex); }  

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