Linux C多線程編程之互斥鎖與條件變量實(shí)例詳解

一、互斥鎖

互斥量從本質(zhì)上說(shuō)就是一把鎖, 提供對(duì)共享資源的保護(hù)訪問(wèn)。

1. 初始化:

在Linux下, 線程的互斥量數(shù)據(jù)類(lèi)型是pthread_mutex_t. 在使用前, 要對(duì)它進(jìn)行初始化:

對(duì)于靜態(tài)分配的互斥量, 可以把它設(shè)置為PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER, 或者調(diào)用pthread_mutex_init.

對(duì)于動(dòng)態(tài)分配的互斥量, 在申請(qǐng)內(nèi)存(malloc)之后, 通過(guò)pthread_mutex_init進(jìn)行初始化, 并且在釋放內(nèi)存(free)前需要調(diào)用pthread_mutex_destroy.

原型:

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrictmutex, 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(cuò)則返回錯(cuò)誤編號(hào).

說(shuō)明:如果使用默認(rèn)的屬性初始化互斥量, 只需把a(bǔ)ttr設(shè)為NULL.其他值在以后講解。

2. 互斥操作:

對(duì)共享資源的訪問(wèn), 要對(duì)互斥量進(jìn)行加鎖, 如果互斥量已經(jīng)上了鎖, 調(diào)用線程會(huì)阻塞, 直到互斥量被解鎖. 在完成了對(duì)共享資源的訪問(wèn)后, 要對(duì)互斥量進(jìn)行解鎖。

首先說(shuō)一下加鎖函數(shù):

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(cuò)則返回錯(cuò)誤編號(hào).

說(shuō)明: 具體說(shuō)一下trylock函數(shù), 這個(gè)函數(shù)是非阻塞調(diào)用模式, 也就是說(shuō), 如果互斥量沒(méi)被鎖住, trylock函數(shù)將把互斥量加鎖, 并獲得對(duì)共享資源的訪問(wèn)權(quán)限; 如果互斥量被鎖住了, trylock函數(shù)將不會(huì)阻塞等待而直接返回EBUSY, 表示共享資源處于忙狀態(tài)。

再說(shuō)一下解所函數(shù):

頭文件:

原型:

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

返回值: 成功則返回0, 出錯(cuò)則返回錯(cuò)誤編號(hào).

3. 死鎖:

死鎖主要發(fā)生在有多個(gè)依賴(lài)鎖存在時(shí), 會(huì)在一個(gè)線程試圖以與另一個(gè)線程相反順序鎖住互斥量時(shí)發(fā)生. 如何避免死鎖是使用互斥量應(yīng)該格外注意的東西。

總體來(lái)講, 有幾個(gè)不成文的基本原則:

對(duì)共享資源操作前一定要獲得鎖。

完成操作以后一定要釋放鎖。

盡量短時(shí)間地占用鎖。

如果有多鎖, 如獲得順序是ABC連環(huán)扣, 釋放順序也應(yīng)該是ABC。

線程錯(cuò)誤返回時(shí)應(yīng)該釋放它所獲得的鎖。

下面給個(gè)測(cè)試小程序進(jìn)一步了解互斥，mutex互斥信號(hào)量鎖住的不是一個(gè)變量，而是阻塞住一段程序。如果對(duì)一個(gè)mutex變量testlock, 執(zhí)行了第一次pthread_mutex_lock(testlock)之后，在unlock(testlock)之前的這段時(shí)間內(nèi)，如果有其他線程也執(zhí)行到了pthread_mutex_lock(testlock)，這個(gè)線程就會(huì)阻塞住，直到之前的線程unlock之后才能執(zhí)行，由此，實(shí)現(xiàn)同步，也就達(dá)到保護(hù)臨界區(qū)資源的目的。

#

include#includestatic pthread_mutex_t testlock;pthread_t test_thread;void *test(){pthread_mutex_lock(&testlock);printf("thread Test() \n");pthread_mutex_unlock(&testlock);}int main(){pthread_mutex_init(&testlock, NULL);pthread_mutex_lock(&testlock);printf("Main lock \n");pthread_create(&test_thread, NULL, test, NULL);sleep(1); //更加明顯的觀察到是否執(zhí)行了創(chuàng)建線程的互斥鎖printf("Main unlock \n");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(jié)果：

Main lockMain unlockthread Test()

二、條件變量

這里主要說(shuō)說(shuō)pthread_cond_wait()的用法，在下面有說(shuō)明。

條件變量是利用線程間共享的全局變量進(jìn)行同步的一種機(jī)制，主要包括兩個(gè)動(dòng)作：一個(gè)線程等待"條件變量的條件成立"而掛起；另一個(gè)線程使"條件成立"（給出條件成立信號(hào)）。為了防止競(jìng)爭(zhēng)，條件變量的使用總是和一個(gè)互斥鎖結(jié)合在一起。1． 創(chuàng)建和注銷(xiāo)條件變量和互斥鎖一樣，都有靜態(tài)動(dòng)態(tài)兩種創(chuàng)建方式，靜態(tài)方式使用PTHREAD_COND_INITIALIZER常量，如下：

pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER

動(dòng)態(tài)方式調(diào)用pthread_cond_init()函數(shù)，API定義如下：

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr)

盡管POSIX標(biāo)準(zhǔn)中為條件變量定義了屬性，但在LinuxThreads中沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，因此cond_attr值通常為NULL，且被忽略。注銷(xiāo)一個(gè)條件變量需要調(diào)用pthread_cond_destroy()，只有在沒(méi)有線程在該條件變量上等待的時(shí)候才能注銷(xiāo)這個(gè)條件變量，否則返回EBUSY。因?yàn)長(zhǎng)inux實(shí)現(xiàn)的條件變量沒(méi)有分配什么資源，所以注銷(xiāo)動(dòng)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(fā)

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(wú)條件等待pthread_cond_wait()和計(jì)時(shí)等待pthread_cond_timedwait()，其中計(jì)時(shí)等待方式如果在給定時(shí)刻前條件沒(méi)有滿足，則返回ETIMEOUT，結(jié)束等待，其中abstime以與time()系統(tǒng)調(diào)用相同意義的絕對(duì)時(shí)間形式出現(xiàn)，0表示格林尼治時(shí)間1970年1月1日0時(shí)0分0秒。無(wú)論哪種等待方式，都必須和一個(gè)互斥鎖配合，以防止多個(gè)線程同時(shí)請(qǐng)求pthread_cond_wait()（或pthread_cond_timedwait()，下同）的競(jìng)爭(zhēng)條件（Race Condition）。mutex互斥鎖必須是普通鎖（PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP）或者適應(yīng)鎖（PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP），且在調(diào)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(duì)列以前，mutex保持鎖定狀態(tài)，并在線程掛起進(jìn)入等待前解鎖。在條件滿足從而離開(kāi)pthread_cond_wait()之前，mutex將被重新加鎖，以與進(jìn)入pthread_cond_wait()前的加鎖動(dòng)作對(duì)應(yīng)。執(zhí)行pthread_cond_wait()時(shí)自動(dòng)解鎖互斥量(如同執(zhí)行了 pthread_unlock_mutex)，并等待條件變量觸發(fā)。這時(shí)線程掛起，不占用 CPU 時(shí)間，直到條件變量被觸發(fā)。

因此，全過(guò)程可以描述為：

（1）pthread_mutex_lock()上鎖，

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

（3）pthread_mutex_unlock()解鎖。

激發(fā)條件有兩種形式，pthread_cond_signal()激活一個(gè)等待該條件的線程，存在多個(gè)等待線程時(shí)按入隊(duì)順序激活其中一個(gè)；而pthread_cond_broadcast()則激活所有等待線程。 兩者 如果沒(méi)有等待的線程，則什么也不做。

下面一位童鞋問(wèn)的問(wèn)題解釋了上面的說(shuō)明：

當(dāng)pthread_cond_t調(diào)用pthread_cond_wait進(jìn)入等待狀態(tài)時(shí),pthread_mutex_t互斥信號(hào)無(wú)效了.

示例代碼如下:

//多線程同步--條件鎖(相當(dāng)與windows的事件)測(cè)試

//要先讓pthread_cond_wait進(jìn)入等待信號(hào)狀態(tài),才能調(diào)用pthread_cond_signal發(fā)送信號(hào),才有效.

//不能讓pthread_cond_signal在pthread_cond_wait前面執(zhí)行

#include

#include //多線程所用頭文件

#include //信號(hào)量使用頭文件

pthread_cond_t g_cond /*=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER*/; //申明條鎖,并用宏進(jìn)行初始化

pthread_mutex_t g_mutex ;

//線程執(zhí)行函數(shù)

void threadFun1(void)

{

int i;

pthread_mutex_lock(&g_mutex); //1

pthread_cond_wait(&g_cond,&g_mutex); //如g_cond無(wú)信號(hào),則阻塞

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

printf("thread threadFun1.\n");

sleep(1);

}

pthread_cond_signal(&g_cond);

pthread_mutex_unlock(&g_mutex);

}

int main(void)

{

pthread_t id1; //線程的標(biāo)識(shí)符

pthread_t id2;

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

pthread_mutex_init(&g_mutex,NULL); //互斥變量初始化

int i,ret;

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

if ( ret!=0 ) { //不為0說(shuō)明線程創(chuàng)建失敗

printf ("Create pthread1 error!\n");

exit (1);

}

sleep(5); //等待子線程先開(kāi)始

pthread_mutex_lock(&g_mutex); //2

pthread_cond_signal(&g_cond); //給個(gè)開(kāi)始信號(hào),注意這里要先等子線程進(jìn)入等待狀態(tài)在發(fā)信號(hào),否則無(wú)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(qǐng)看紅顏色的1和2.

明明是1先鎖了互斥變量,但代碼執(zhí)行到2還是一樣可以鎖定.

為什么會(huì)這樣呢????/

pthread_cond_wait()什么情況才會(huì)接鎖,繼續(xù)跑下去啊...現(xiàn)在來(lái)看一段典型的應(yīng)用：看注釋即可。

問(wèn)題解釋?zhuān)寒?dāng)程序進(jìn)入pthread_cond_wait等待后，將會(huì)把g_mutex進(jìn)行解鎖，當(dāng)離開(kāi)pthread_cond_wait之前，g_mutex會(huì)重新加鎖。所以在main中的g_mutex會(huì)被加鎖。 呵呵。。。

現(xiàn)在來(lái)看一段典型的應(yīng)用：看注釋即可。

#include #include 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.\n");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(gè)mutex主要是用來(lái)保證pthread_cond_wait的并發(fā)性while (head == NULL) {//這個(gè)while要特別說(shuō)明一下，單個(gè)pthread_cond_wait功能很完善，為何這里要有一個(gè)while (head == NULL)呢？因?yàn)閜thread_cond_wait里的線程可能會(huì)被意外喚醒，如果這個(gè)時(shí)候head != NULL，則不是我們想要的情況。這個(gè)時(shí)候，應(yīng)該讓線程繼續(xù)進(jìn)入pthread_cond_waitpthread_cond_wait(&cond, &mtx);// pthread_cond_wait會(huì)先解除之前的pthread_mutex_lock鎖定的mtx，然后阻塞在等待對(duì)列里休眠，直到再次被喚醒（大多數(shù)情況下是等待的條件成立而被喚醒，喚醒后，該進(jìn)程會(huì)先鎖定先pthread_mutex_lock(&mtx);，再讀取資源， 用這個(gè)流程是比較清楚的/*block-->unlock-->wait() return-->lock*/

#include #include #include #include #include #include #include #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(intargc, char **argv){int i, nthreads, count[MAXNTHREADS];pthread_t tid_produce[MAXNTHREADS], tid_consume;if (argc!= 3) {printf("usage: prodcons3 <#items> <#threads>\n");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\n", 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, we're 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\n", i, shared.buff[i]);}return(NULL);}