三種Linux中的常用多線程同步方式淺析

嵌入式linux中文站給大家介紹三種Linux中的常用多線程同步方式：互斥量，條件變量，信號(hào)量。

1 互斥鎖

互斥鎖用來(lái)保證一段時(shí)間內(nèi)只有一個(gè)線程在執(zhí)行一段代碼。必要性顯而易見(jiàn)：假設(shè)各個(gè)線程向同一個(gè)文件順序?qū)懭霐?shù)據(jù)，最后得到的結(jié)果一定是災(zāi)難性的。

先看下面一段代碼。這是一個(gè)讀/寫(xiě)程序，它們公用一個(gè)緩沖區(qū)，并且假定一個(gè)緩沖區(qū)只能保存一條信息。即緩沖區(qū)只有兩個(gè)狀態(tài)：有信息或沒(méi)有信息。

void reader_function （ void ）;

void writer_function （ void ）;

char buffer;

int buffer_has_item=0;

pthread_mutex_t mutex;

struct timespec delay;

void main （ void ）{

pthread_t reader;

/* 定義延遲時(shí)間*/

delay.tv_sec = 2;

delay.tv_nec = 0;

/* 用默認(rèn)屬性初始化一個(gè)互斥鎖對(duì)象*/

pthread_mutex_init （&mutex，NULL）;

pthread_create（&reader， pthread_attr_default， （void *）&reader_function）， NULL）;

writer_function（ ）;

}

void writer_function （void）{

while（1）{

/* 鎖定互斥鎖*/

pthread_mutex_lock （&mutex）;

if （buffer_has_item==0）{

buffer=make_new_item（ ）;

buffer_has_item=1;

}

/* 打開(kāi)互斥鎖*/

pthread_mutex_unlock（&mutex）;

pthread_delay_np（&delay）;

}

}

void reader_function（void）{

while（1）{

pthread_mutex_lock（&mutex）;

if（buffer_has_item==1）{

consume_item（buffer）;

buffer_has_item=0;

}

pthread_mutex_unlock（&mutex）;

pthread_delay_np（&delay）;

}

}

這里聲明了互斥鎖變量mutex，結(jié)構(gòu)pthread_mutex_t為不公開(kāi)的數(shù)據(jù)類(lèi)型，其中包含一個(gè)系統(tǒng)分配的屬性對(duì)象。函數(shù)pthread_mutex_init用來(lái)生成一個(gè)互斥鎖。NULL參數(shù)表明使用默認(rèn)屬性。如果需要聲明特定屬性的互斥鎖，須調(diào)用函數(shù)pthread_mutexattr_init。函數(shù)pthread_mutexattr_setpshared和函數(shù)pthread_mutexattr_settype用來(lái)設(shè)置互斥鎖屬性。前一個(gè)函數(shù)設(shè)置屬性pshared，它有兩個(gè)取值，PTHREAD_PROCESS_PRIVATE和PTHREAD_PROCESS_SHARED。前者用來(lái)不同進(jìn)程中的線程同步，后者用于同步本進(jìn)程的不同線程。在上面的例子中，使用的是默認(rèn)屬性PTHREAD_PROCESS_ PRIVATE。后者用來(lái)設(shè)置互斥鎖類(lèi)型，可選的類(lèi)型有PTHREAD_MUTEX_NORMAL、PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK、PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE和PTHREAD _MUTEX_DEFAULT。它們分別定義了不同的上鎖、解鎖機(jī)制，一般情況下，選用最后一個(gè)默認(rèn)屬性。

pthread_mutex_lock聲明開(kāi)始用互斥鎖上鎖，此后的代碼直至調(diào)用pthread_mutex_unlock為止，均被上鎖，即同一時(shí)間只能被一個(gè)線程調(diào)用執(zhí)行。當(dāng)一個(gè)線程執(zhí)行到pthread_mutex_lock處時(shí)，如果該鎖此時(shí)被另一個(gè)線程使用，那此線程被阻塞，即程序?qū)⒌却搅硪粋€(gè)線程釋放此互斥鎖。在上面的例子中，使用了pthread_delay_np函數(shù)，讓線程睡眠一段時(shí)間，就是為了防止一個(gè)線程始終占據(jù)此函數(shù)。

在使用互斥鎖的過(guò)程中很有可能會(huì)出現(xiàn)死鎖：兩個(gè)線程試圖同時(shí)占用兩個(gè)資源，并按不同的次序鎖定相應(yīng)的互斥鎖，例如兩個(gè)線程都需要鎖定互斥鎖1和互斥鎖2，a線程先鎖定互斥鎖1，b線程先鎖定互斥鎖2，這時(shí)就出現(xiàn)了死鎖。此時(shí)可以使用函數(shù)pthread_mutex_trylock，它是函數(shù)pthread_mutex_lock的非阻塞版本，當(dāng)它發(fā)現(xiàn)死鎖不可避免時(shí)，它會(huì)返回相應(yīng)的信息，程序員可以針對(duì)死鎖做出相應(yīng)的處理。另外不同的互斥鎖類(lèi)型對(duì)死鎖的處理不一樣，但最主要的還是要程序員自己在程序設(shè)計(jì)注意這一點(diǎn)。

2 條件變量

前一節(jié)中我們講述了如何使用互斥鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)線程間數(shù)據(jù)的共享和通信，互斥鎖一個(gè)明顯的缺點(diǎn)是它只有兩種狀態(tài)：鎖定和非鎖定。而條件變量通過(guò)允許線程阻塞和等待另一個(gè)線程發(fā)送信號(hào)的方法彌補(bǔ)了互斥鎖的不足，它常和互斥鎖一起使用。使用時(shí)，條件變量被用來(lái)阻塞一個(gè)線程，當(dāng)條件不滿(mǎn)足時(shí)，線程往往解開(kāi)相應(yīng)的互斥鎖并等待條件發(fā)生變化。一旦其它的某個(gè)線程改變了條件變量，它將通知相應(yīng)的條件變量喚醒一個(gè)或多個(gè)正被此條件變量阻塞的線程。這些線程將重新鎖定互斥鎖并重新測(cè)試條件是否滿(mǎn)足。一般說(shuō)來(lái)，條件變量被用來(lái)進(jìn)行線程間的同步。

條件變量的結(jié)構(gòu)為pthread_cond_t，函數(shù)pthread_cond_init（）被用來(lái)初始化一個(gè)條件變量。它的原型為：

extern int pthread_cond_init __P （（pthread_cond_t *__cond，__const pthread_condattr_t *__cond_attr））;

其中cond是一個(gè)指向結(jié)構(gòu)pthread_cond_t的指針，cond_attr是一個(gè)指向結(jié)構(gòu)pthread_condattr_t的指針。結(jié)構(gòu)pthread_condattr_t是條件變量的屬性結(jié)構(gòu)，和互斥鎖一樣可以用它來(lái)設(shè)置條件變量是進(jìn)程內(nèi)可用還是進(jìn)程間可用，默認(rèn)值是PTHREAD_ PROCESS_PRIVATE，即此條件變量被同一進(jìn)程內(nèi)的各個(gè)線程使用。注意初始化條件變量只有未被使用時(shí)才能重新初始化或被釋放。釋放一個(gè)條件變量的函數(shù)為pthread_cond_ destroy（pthread_cond_t cond）。

函數(shù)pthread_cond_wait（）使線程阻塞在一個(gè)條件變量上。它的函數(shù)原型為：

extern int pthread_cond_wait __P （（pthread_cond_t *__cond，

pthread_mutex_t *__mutex））;

線程解開(kāi)mutex指向的鎖并被條件變量cond阻塞。線程可以被函數(shù)pthread_cond_signal和函數(shù)pthread_cond_broadcast喚醒，但是要注意的是，條件變量只是起阻塞和喚醒線程的作用，具體的判斷條件還需用戶(hù)給出，例如一個(gè)變量是否為0等等，這一點(diǎn)從后面的例子中可以看到。線程被喚醒后，它將重新檢查判斷條件是否滿(mǎn)足，如果還不滿(mǎn)足，一般說(shuō)來(lái)線程應(yīng)該仍阻塞在這里，被等待被下一次喚醒。這個(gè)過(guò)程一般用while語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)。

另一個(gè)用來(lái)阻塞線程的函數(shù)是pthread_cond_timedwait（），它的原型為：

extern int pthread_cond_timedwait __P （（pthread_cond_t *__cond，

pthread_mutex_t *__mutex， __const struct timespec *__abstime））;

它比函數(shù)pthread_cond_wait（）多了一個(gè)時(shí)間參數(shù)，經(jīng)歷abstime段時(shí)間后，即使條件變量不滿(mǎn)足，阻塞也被解除。

函數(shù)pthread_cond_signal（）的原型為：

extern int pthread_cond_signal __P （（pthread_cond_t *__cond））;

它用來(lái)釋放被阻塞在條件變量cond上的一個(gè)線程。多個(gè)線程阻塞在此條件變量上時(shí)，哪一個(gè)線程被喚醒是由線程的調(diào)度策略所決定的。要注意的是，必須用保護(hù)條件變量的互斥鎖來(lái)保護(hù)這個(gè)函數(shù)，否則條件滿(mǎn)足信號(hào)有可能在測(cè)試條件和調(diào)用pthread_cond_wait函數(shù)之間被發(fā)出，從而造成無(wú)限制的等待。下面是使用函數(shù)pthread_cond_wait（）和函數(shù)pthread_cond_signal（）的一個(gè)簡(jiǎn)單的例子。

pthread_mutex_t count_lock;

pthread_cond_t count_nonzero;

unsigned count;

decrement_count　（） {

pthread_mutex_lock （&count_lock）;

while（count==0）

pthread_cond_wait（ &count_nonzero， &count_lock）;

count=count -1;

pthread_mutex_unlock （&count_lock）;

}

increment_count（）{

pthread_mutex_lock（&count_lock）;

if（count==0）

pthread_cond_signal（&count_nonzero）;

count=count+1;

pthread_mutex_unlock（&count_lock）;

}

count值為0時(shí)，decrement函數(shù)在pthread_cond_wait處被阻塞，并打開(kāi)互斥鎖count_lock。此時(shí)，當(dāng)調(diào)用到函數(shù)increment_count時(shí)，pthread_cond_signal（）函數(shù)改變條件變量，告知decrement_count（）停止阻塞。

函數(shù)pthread_cond_broadcast（pthread_cond_t *cond）用來(lái)喚醒所有被阻塞在條件變量cond上的線程。這些線程被喚醒后將再次競(jìng)爭(zhēng)相應(yīng)的互斥鎖，所以必須小心使用這個(gè)函數(shù)。

3 信號(hào)量

信號(hào)量本質(zhì)上是一個(gè)非負(fù)的整數(shù)計(jì)數(shù)器，它被用來(lái)控制對(duì)公共資源的訪問(wèn)。當(dāng)公共資源增加時(shí)，調(diào)用函數(shù)sem_post（）增加信號(hào)量。只有當(dāng)信號(hào)量值大于0時(shí)，才能使用公共資源，使用后，函數(shù)sem_wait（）減少信號(hào)量。函數(shù)sem_trywait（）和函數(shù)pthread_ mutex_trylock（）起同樣的作用，它是函數(shù)sem_wait（）的非阻塞版本。下面逐個(gè)介紹和信號(hào)量有關(guān)的一些函數(shù)，它們都在頭文件/usr/include/semaphore.h中定義。

信號(hào)量的數(shù)據(jù)類(lèi)型為結(jié)構(gòu)sem_t，它本質(zhì)上是一個(gè)長(zhǎng)整型的數(shù)。函數(shù)sem_init（）用來(lái)初始化一個(gè)信號(hào)量。它的原型為：

extern int sem_init __P （（sem_t *__sem， int __pshared， unsigned int __value））;

sem為指向信號(hào)量結(jié)構(gòu)的一個(gè)指針;pshared不為0時(shí)此信號(hào)量在進(jìn)程間共享，否則只能為當(dāng)前進(jìn)程的所有線程共享;value給出了信號(hào)量的初始值。

函數(shù)sem_post（ sem_t *sem ）用來(lái)增加信號(hào)量的值。當(dāng)有線程阻塞在這個(gè)信號(hào)量上時(shí)，調(diào)用這個(gè)函數(shù)會(huì)使其中的一個(gè)線程不再阻塞，選擇機(jī)制同樣是由線程的調(diào)度策略決定的。

函數(shù)sem_wait（ sem_t *sem ）被用來(lái)阻塞當(dāng)前線程直到信號(hào)量sem的值大于0，解除阻塞后將sem的值減一，表明公共資源經(jīng)使用后減少。函數(shù)sem_trywait （ sem_t *sem ）是函數(shù)sem_wait（）的非阻塞版本，它直接將信號(hào)量sem的值減一。

函數(shù)sem_destroy（sem_t *sem）用來(lái)釋放信號(hào)量sem。

下面來(lái)看一個(gè)使用信號(hào)量的例子。在這個(gè)例子中，一共有4個(gè)線程，其中兩個(gè)線程負(fù)責(zé)從文件讀取數(shù)據(jù)到公共的緩沖區(qū)，另兩個(gè)線程從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)作不同的處理（加和乘運(yùn)算）。

/* File sem.c */

#include

#include

#include

#define MAXSTACK 100

int stack［MAXSTACK］［2］;

int size=0;

sem_t sem;

/* 從文件1.dat讀取數(shù)據(jù)，每讀一次，信號(hào)量加一*/

void ReadData1（void）{

FILE *fp=fopen（“1.dat”，“r”）;

while（！feof（fp））{

fscanf（fp，“%d %d”，&stack［size］［0］，&stack［size］［1］）;

sem_post（&sem）;

++size;

}

fclose（fp）;

}

/*從文件2.dat讀取數(shù)據(jù)*/

void ReadData2（void）{

FILE *fp=fopen（“2.dat”，“r”）;

while（！feof（fp））{

fscanf（fp，“%d %d”，&stack［size］［0］，&stack［size］［1］）;

sem_post（&sem）;

++size;

}

fclose（fp）;

}

/*阻塞等待緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)后，釋放空間，繼續(xù)等待*/

void HandleData1（void）{

while（1）{

sem_wait（&sem）;

printf（“Plus：%d+%d=%d\n”，stack［size］［0］，stack［size］［1］，

stack［size］［0］+stack［size］［1］）;

--size;

}

}

void HandleData2（void）{

while（1）{

sem_wait（&sem）;

printf（“Multiply：%d*%d=%d\n”，stack［size］［0］，stack［size］［1］，

stack［size］［0］*stack［size］［1］）;

--size;

}

}

int main（void）{

pthread_t t1，t2，t3，t4;

sem_init（&sem，0，0）;

pthread_create（&t1，NULL，（void *）HandleData1，NULL）;

pthread_create（&t2，NULL，（void *）HandleData2，NULL）;

pthread_create（&t3，NULL，（void *）ReadData1，NULL）;

pthread_create（&t4，NULL，（void *）ReadData2，NULL）;

/* 防止程序過(guò)早退出，讓它在此無(wú)限期等待*/

pthread_join（t1，NULL）;

}

在Linux下，用命令gcc -lpthread sem.c -o sem生成可執(zhí)行文件sem。事先編輯好數(shù)據(jù)文件1.dat和2.dat，假設(shè)它們的內(nèi)容分別為1 2 3 4 5 6 7 8 9 10和 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 ，運(yùn)行sem，得到如下的結(jié)果：

Multiply：-1*-2=2

Plus：-1+-2=-3

Multiply:9*10=90

Plus：-9+-10=-19

Multiply：-7*-8=56

Plus：-5+-6=-11

Multiply：-3*-4=12

Plus:9+10=19

Plus:7+8=15

Plus:5+6=11

從中可以看出各個(gè)線程間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。而數(shù)值并未按原先的順序顯示出來(lái)，這是由于size這個(gè)數(shù)值被各個(gè)線程任意修改的緣故。這也往往是多線程編程要注意的問(wèn)題。