Linux C 多線程編程之互斥鎖與條件變數實例詳解

一、互斥鎖

互斥量從本質上說就是一把鎖, 提供對共享資源的保護訪問。

1. 初始化:

在Linux下, 線程的互斥量數據類型是pthread_mutex_t. 在使用前, 要對它進行初始化:

　　對於靜態分配的互斥量, 可以把它設置為PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER, 或者調用pthread_mutex_init.

　　對於動態分配的互斥量, 在申請內存(malloc)之後, 通過pthread_mutex_init進行初始化, 並且在釋放內存(free)前需要調用pthread_mutex_destroy.

原型:

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restric attr);

　　int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

頭文件:

返回值: 成功則返回0, 出錯則返回錯誤編號.

說明: 如果使用默認的屬性初始化互斥量, 只需把attr設為NULL. 其他值在以後講解。

2. 互斥操作:

　　對共享資源的訪問, 要對互斥量進行加鎖, 如果互斥量已經上了鎖, 調用線程會阻塞, 直到互斥量被解鎖. 在完成了對共享資源的訪問後, 要對互斥量進行解鎖。

首先說一下加鎖函數:

頭文件:

原型:

　int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

　　int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

　　返回值: 成功則返回0, 出錯則返回錯誤編號.

　　說明: 具體說一下trylock函數, 這個函數是非阻塞調用模式, 也就是說, 如果互斥量沒被鎖住, trylock函數將把互斥量加鎖, 並獲得對共享資源的訪問許可權; 如果互斥量被鎖住了, trylock函數將不會阻塞等待而直接返回EBUSY, 表示共享資源處於忙狀態。

再說一下解所函數:

頭文件:

　　原型:

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

　　返回值: 成功則返回0, 出錯則返回錯誤編號.

3. 死鎖:

　　死鎖主要發生在有多個依賴鎖存在時, 會在一個線程試圖以與另一個線程相反順序鎖住互斥量時發生. 如何避免死鎖是使用互斥量應該格外注意的東西。

　　總體來講, 有幾個不成文的基本原則:

　　對共享資源操作前一定要獲得鎖。

　　完成操作以後一定要釋放鎖。

　　盡量短時間地佔用鎖。

　　如果有多鎖, 如獲得順序是ABC連環扣, 釋放順序也應該是ABC。

　　線程錯誤返回時應該釋放它所獲得的鎖。

下面給個測試小程序進一步了解互斥，mutex互斥信號量鎖住的不是一個變數，而是阻塞住一段程序。如果對一個mutex變數testlock, 執行了第一次pthread_mutex_lock(testlock)之後，在unlock(testlock)之前的這段時間內，如果有其他線程也執行到了pthread_mutex_lock(testlock)，這個線程就會阻塞住，直到之前的線程unlock之後才能執行，由此，實現同步，也就達到保護臨界區資源的目的。

include<stdio.h>

#include<pthread.h>

static pthread_mutex_t testlock;pthread_t test_thread;void *test(){pthread_mutex_lock(&testlock);printf("thread Test()
");pthread_mutex_unlock(&testlock);}int main()

{

pthread_mutex_init(&testlock, NULL);pthread_mutex_lock(&testlock); printf("Main lock
");pthread_create(&test_thread, NULL, test, NULL);sleep(1); //更加明顯的觀察到是否執行了創建線程的互斥鎖printf("Main unlock
");pthread_mutex_unlock(&testlock); sleep(1);

pthread_join(test_thread,NULL);

pthread_mutex_destroy(&testlock);

return 0;}makegcc -D_REENTRANT -lpthread -o test test.c

結果：

Main lock

Main unlock thread Test()

二、條件變數

這裡主要說說 pthread_cond_wait()的用法，在下面有說明。

條件變數是利用線程間共享的全局變數進行同步的一種機制，主要包括兩個動作：一個線程等待"條件變數的條件成立"而掛起；另一個線程使"條件成立"（給出條件成立信號）。為了防止競爭，條件變數的使用總是和一個互斥鎖結合在一起。 1．創建和註銷 條件變數和互斥鎖一樣，都有靜態動態兩種創建方式，靜態方式使用PTHREAD_COND_INITIALIZER常量，如下：

pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER

動態方式調用pthread_cond_init()函數，API定義如下：

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr)

儘管POSIX標準中為條件變數定義了屬性，但在LinuxThreads中沒有實現，因此cond_attr值通常為NULL，且被忽略。註銷一個條件變數需要調用pthread_cond_destroy()，只有在沒有線程在該條件變數上等待的時候才能註銷這個條件變數，否則返回EBUSY。因為Linux實現的條件變數沒有分配什麼資源，所以註銷動作只包括檢查是否有等待線程。API定義如下： int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond) 2．等待和激發

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex)

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *abstime)

等待條件有兩種方式：無條件等待pthread_cond_wait()和計時等待pthread_cond_timedwait()，其中計時等待方式如果在給定時刻前條件沒有滿足，則返回ETIMEOUT，結束等待，其中abstime以與time()系統調用相同意義的絕對時間形式出現，0表示格林尼治時間1970年1月1日0時0分0秒。無論哪種等待方式，都必須和一個互斥鎖配合，以防止多個線程同時請求pthread_cond_wait()（或pthread_cond_timedwait()，下同）的競爭條件（Race Condition）。mutex互斥鎖必須是普通鎖（PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP）或者適應鎖（PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP），且在調用pthread_cond_wait()前必須由本線程加鎖（pthread_mutex_lock()），而在更新條件等待隊列以前，mutex保持鎖定狀態，並在線程掛起進入等待前解鎖。在條件滿足從而離開pthread_cond_wait()之前，mutex將被重新加鎖，以與進入pthread_cond_wait()前的加鎖動作對應。執行pthread_cond_wait()時自動解鎖互斥量(如同執行了 pthread_unlock_mutex)，並等待條件變數觸發。這時線程掛起，不佔用 CPU 時間，直到條件變數被觸發。

因此，全過程可以描述為：

（1）pthread_mutex_lock()上鎖，

（2）pthread_cond_wait()等待，等待過程分解為為：解鎖--條件滿足--加鎖

（3）pthread_mutex_unlock()解鎖。

激發條件有兩種形式，pthread_cond_signal()激活一個等待該條件的線程，存在多個等待線程時按入隊順序激活其中一個；而pthread_cond_broadcast()則激活所有等待線程。兩者如果沒有等待的線程，則什麼也不做。

下面一位童鞋問的問題解釋了上面的說明：

當pthread_cond_t調用pthread_cond_wait進入等待狀態時,pthread_mutex_t互斥信號無效了.

示例代碼如下:

//多線程同步--條件鎖(相當與windows的事件)測試

//要先讓pthread_cond_wait進入等待信號狀態,才能調用pthread_cond_signal發送信號,才有效.

//不能讓pthread_cond_signal在pthread_cond_wait前面執行

#include <stdio.h>

#include<pthread.h> //多線程所用頭文件

#include <semaphore.h> //信號量使用頭文件

pthread_cond_t g_cond /*=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER*/; //申明條鎖,並用宏進行初始化

pthread_mutex_t g_mutex ;

//線程執行函數

void threadFun1(void)

{

int i;

pthread_mutex_lock(&g_mutex); //1

pthread_cond_wait(&g_cond,&g_mutex); //如g_cond無信號,則阻塞

for( i = 0;i < 2; i++ ){

printf("thread threadFun1.
");

sleep(1);

}

pthread_cond_signal(&g_cond);

pthread_mutex_unlock(&g_mutex);

}

int main(void)

{

pthread_t id1; //線程的標識符

pthread_t id2;

pthread_cond_init(&g_cond,NULL); //也可以程序裡面初始化

pthread_mutex_init(&g_mutex,NULL); //互斥變數初始化

int i,ret;

ret = pthread_create(&id1,NULL,(void *)threadFun1, NULL);

if ( ret!=0 ) { //不為0說明線程創建失敗

printf ("Create pthread1 error!
");

exit (1);

}

sleep(5); //等待子線程先開始

pthread_mutex_lock(&g_mutex); //2

pthread_cond_signal(&g_cond); //給個開始信號,注意這裡要先等子線程進入等待狀態在發信號,否則無效

pthread_mutex_unlock(&g_mutex);

pthread_join(id1,NULL);

pthread_cond_destroy(&g_cond); //釋放

pthread_mutex_destroy(&g_mutex); //釋放

return 0;

}

大家請看紅顏色的1和2.

明明是1先鎖了互斥變數,但代碼執行到2還是一樣可以鎖定.

為什麼會這樣呢????/

pthread_cond_wait()什麼情況才會接鎖,繼續跑下去啊...現在來看一段典型的應用：看注釋即可。

問題解釋：當程序進入pthread_cond_wait等待後，將會把g_mutex進行解鎖，當離開pthread_cond_wait之前，g_mutex會重新加鎖。所以在main中的g_mutex會被加鎖。呵呵。。。

現在來看一段典型的應用：看注釋即可。

#include <pthread.h>

#include <unistd.h> static pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; static pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER; struct node { int n_number; struct node *n_next; } *head = NULL; /*[thread_func]*/ static void cleanup_handler(void *arg) { printf("Cleanup handler of second thread.
"); free(arg); (void)pthread_mutex_unlock(&mtx); } static void *thread_func(void *arg) { struct node *p = NULL; pthread_cleanup_push(cleanup_handler, p); while (1) { pthread_mutex_lock(&mtx); //這個mutex主要是用來保證pthread_cond_wait的並發性 while (head == NULL) { //這個while要特別說明一下，單個pthread_cond_wait功能很完善，為何這裡要有一個while (head == NULL)呢？因為pthread_cond_wait里的線程可能會被意外喚醒，如果這個時候head != NULL，則不是我們想要的情況。這個時候，應該讓線程繼續進入pthread_cond_wait pthread_cond_wait(&cond, &mtx); // pthread_cond_wait會先解除之前的pthread_mutex_lock鎖定的mtx，然後阻塞在等待對列里休眠，直到再次被喚醒（大多數情況下是等待的條件成立而被喚醒，喚醒後，該進程會先鎖定先pthread_mutex_lock(&mtx);，再讀取資源，用這個流程是比較清楚的/*block-->unlock-->wait() return-->lock*/

#include <unistd.h>

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <sys/errno.h>#include <sys/types.h>#include <signal.h>#include <pthread.h>#define min(a,b) ((a) < (b) ? (a) : (b))#define max(a,b) ((a) > (b) ? (a) : (b))#define MAXNITEMS 1000000#define MAXNTHREADS 100int nitems; /* read-only by producer and consumer */struct {pthread_mutex_t mutex;int buff[MAXNITEMS];int nput;int nval;} shared = { PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER };void *produce(void *), *consume(void *);/* include main */intmain(int argc, char **argv){int i, nthreads, count[MAXNTHREADS];pthread_t tid_produce[MAXNTHREADS], tid_consume;if (argc != 3) {printf("usage: prodcons3 <#items> <#threads>
");return -1;}nitems = min(atoi(argv[1]), MAXNITEMS);nthreads = min(atoi(argv[2]), MAXNTHREADS);/* 4create all producers and one consumer */for (i = 0; i < nthreads; i++) {count[i] = 0;pthread_create(&tid_produce[i], NULL, produce, &count[i]);}pthread_create(&tid_consume, NULL, consume, NULL);/* 4wait for all producers and the consumer */for (i = 0; i < nthreads; i++) {pthread_join(tid_produce[i], NULL);printf("count[%d] = %d
", i, count[i]); }pthread_join(tid_consume, NULL);exit(0);}/* end main */void *produce(void *arg){for ( ; ; ) {pthread_mutex_lock(&shared.mutex);if (shared.nput >= nitems) {pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);return(NULL); /* array is full, were done */}shared.buff[shared.nput] = shared.nval;shared.nput++;shared.nval++;pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);*((int *) arg) += 1;}}/* include consume */voidconsume_wait(int i){for ( ; ; ) {pthread_mutex_lock(&shared.mutex);if (i < shared.nput) {pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);return; /* an item is ready */}pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);}}void *consume(void *arg){int i;for (i = 0; i < nitems; i++) {consume_wait(i);if (shared.buff[i] != i)printf("buff[%d] = %d
", i, shared.buff[i]);}return(NULL);}Linux多線程編程 _物聯網-創客學院?

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