Linux多线程同步的几种方式

线程的最大特点是资源的共享性，但资源共享中的同步问题是多线程编程的难点。linux下提供了多种方式来处理线程同步，最常用的是互斥锁、条件变量和信号量。

1）互斥锁（mutex）

    通过锁机制实现线程间的同步。同一时刻只允许一个线程执行一个关键部分的代码。

Cpp代码  

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,const pthread_mutex_attr_t *mutexattr);  

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex *mutex);  

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex *mutex);  

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex *  

 

(1)先初始化锁init()或静态赋值pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIER

attr_t有:

PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP:其余线程等待队列

PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP:嵌套锁,允许线程多次加锁,不同线程,解锁后重新竞争

PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP:检错,与一同,线程请求已用锁,返回EDEADLK;

PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP:适应锁,解锁后重新竞争

(2)加锁,lock,trylock,lock阻塞等待锁,trylock立即返回EBUSY

(3)解锁,unlock需满足是加锁状态,且由加锁线程解锁

(4)清除锁,destroy(此时锁必需unlock,否则返回EBUSY,//Linux下互斥锁不占用内存资源

示例代码

Cpp代码  

#include <cstdio>   

#include <cstdlib>   

#include <unistd.h>   

#include <pthread.h>   

#include "iostream"   

   

using namespace std;   

   

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;   

   

int tmp;   

   

void* thread(void *arg)   

{   

    cout << "thread id is " << pthread_self() << endl;   

    pthread_mutex_lock(&mutex);   

    tmp = 12;   

    cout << "Now a is " << tmp << endl;   

    pthread_mutex_unlock(&mutex);   

    return NULL;   

}   

   

int main()   

{   

    //如果不用<span style="font-size: 1em; line-height: 1.5;">PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER，可以使用</span>pthread_mutex_init(&mutex, NULL);  

    pthread_t id;   

    cout << "main thread id is " << pthread_self() << endl;   

    tmp = 3;   

    cout << "In main func tmp = " << tmp << endl;   

    if (!pthread_create(&id, NULL, thread, NULL))   

    {   

        cout << "Create thread success!" << endl;   

    }   

    else   

    {   

        cout << "Create thread failed!" << endl;   

    }   

    pthread_join(id, NULL);   

    pthread_mutex_destroy(&mutex);   

    return 0;   

}  

  

编译： g++ -o thread testthread.cpp -lpthread

说明：pthread库不是Linux系统默认的库，连接时需要使用静态库libpthread.a，所以在使用pthread_create()创建线程，以及调用pthread_atfork()函数建立fork处理程序时，需要链接该库。在编译中要加 -lpthread参数。

 

2）条件变量（cond）

    利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制。条件变量上的基本操作有：触发条件(当条件变为 true 时)；等待条件，挂起线程直到其他线程触发条件。

Cpp代码  

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond,pthread_condattr_t *cond_attr);     

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex);  

int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex *mutex,const timespec *abstime);  

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);  

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);  

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);  //解除所有线程的阻塞  

 

(1)初始化.init()或者pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIER（前者为动态初始化，后者为静态初始化）;属性置为NULL

(2)等待条件成立.pthread_wait,pthread_timewait.wait()释放锁,并阻塞等待条件变量为真，timewait()设置等待时间,仍未signal,返回ETIMEOUT(加锁保证只有一个线程wait)

(3)激活条件变量:pthread_cond_signal,pthread_cond_broadcast(激活所有等待线程)

(4)清除条件变量:destroy;无线程等待,否则返回EBUSY

对于

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);

一定要在mutex的锁定区域内使用。

    如果要正确的使用pthread_mutex_lock与pthread_mutex_unlock，请参考

pthread_cleanup_push和pthread_cleanup_pop宏，它能够在线程被cancel的时候正确的释放mutex！

    另外，posix1标准说，pthread_cond_signal与pthread_cond_broadcast无需考虑调用线程是否是mutex的拥有者，也就是说，可以在lock与unlock以外的区域调用。如果我们对调用行为不关心，那么请在lock区域之外调用吧。

说明：

    (1)pthread_cond_wait 自动解锁互斥量(如同执行了pthread_unlock_mutex)，并等待条件变量触发。这时线程挂起，不占用CPU时间，直到条件变量被触发（变量为ture）。在调用 pthread_cond_wait之前，应用程序必须加锁互斥量。pthread_cond_wait函数返回前，自动重新对互斥量加锁(如同执行了pthread_lock_mutex)。

    (2)互斥量的解锁和在条件变量上挂起都是自动进行的。因此，在条件变量被触发前，如果所有的线程都要对互斥量加锁，这种机制可保证在线程加锁互斥量和进入等待条件变量期间，条件变量不被触发。条件变量要和互斥量相联结，以避免出现条件竞争——个线程预备等待一个条件变量，当它在真正进入等待之前，另一个线程恰好触发了该条件（条件满足信号有可能在测试条件和调用pthread_cond_wait函数（block）之间被发出，从而造成无限制的等待）。

(3)pthread_cond_timedwait 和 pthread_cond_wait 一样，自动解锁互斥量及等待条件变量，但它还限定了等待时间。如果在abstime指定的时间内cond未触发，互斥量mutex被重新加锁，且pthread_cond_timedwait返回错误 ETIMEDOUT。abstime 参数指定一个绝对时间，时间原点与 time 和 gettimeofday 相同：abstime = 0 表示 1970年1月1日00:00:00 GMT。

(4)pthread_cond_destroy 销毁一个条件变量，释放它拥有的资源。进入 pthread_cond_destroy 之前，必须没有在该条件变量上等待的线程。

    (5)条件变量函数不是异步信号安全的，不应当在信号处理程序中进行调用。特别要注意，如果在信号处理程序中调用 pthread_cond_signal 或 pthread_cond_boardcast 函数，可能导致调用线程死锁。

示例程序1

Cpp代码  

#include <stdio.h>  

#include <pthread.h>  

#include "stdlib.h"  

#include "unistd.h"  

   

pthread_mutex_t mutex;  

pthread_cond_t cond;  

   

void hander(void *arg)  

{  

    free(arg);   

    (void)pthread_mutex_unlock(&mutex);  

}  

   

void *thread1(void *arg)  

{  

     pthread_cleanup_push(hander, &mutex);   

     while(1)   

     {   

         printf("thread1 is running\n");   

         pthread_mutex_lock(&mutex);   

         pthread_cond_wait(&cond,&mutex);   

         printf("thread1 applied the condition\n");   

         pthread_mutex_unlock(&mutex);   

         sleep(4);   

     }   

     pthread_cleanup_pop(0);   

}   

   

void *thread2(void *arg)  

{   

    while(1)   

    {   

        printf("thread2 is running\n");   

        pthread_mutex_lock(&mutex);   

        pthread_cond_wait(&cond,&mutex);   

        printf("thread2 applied the condition\n");   

        pthread_mutex_unlock(&mutex);   

        sleep(1);   

    }  

}  

   

int main()  

{  

     pthread_t thid1,thid2;   

     printf("condition variable study!\n");   

     pthread_mutex_init(&mutex,NULL);   

     pthread_cond_init(&cond,NULL);   

     pthread_create(&thid1,NULL,thread1,NULL);   

     pthread_create(&thid2,NULL,thread2,NULL);   

     sleep(1);   

     do   

     {   

         pthread_cond_signal(&cond);   

     }while(1);   

     sleep(20);   

     pthread_exit(0);   

     return 0;  

}  

  

 

示例程序2：

Cpp代码  

#include <pthread.h>   

#include <unistd.h>   

#include "stdio.h"  

#include "stdlib.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./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)   

     {   

         //这个mutex主要是用来保证pthread_cond_wait的并发性  

         pthread_mutex_lock(&mtx);   

         while (head == NULL)   

         {   

         //这个while要特别说明一下，单个pthread_cond_wait功能很完善，为何  

         //这里要有一个while (head == NULL)呢？因为pthread_cond_wait里的线   

         //程可能会被意外唤醒，如果这个时候head != NULL，则不是我们想要的情况。   

         //这个时候，应该让线程继续进入pthread_cond_wait   

         // pthread_cond_wait会先解除之前的pthread_mutex_lock锁定的mtx，   

         //然后阻塞在等待对列里休眠，直到再次被唤醒（大多数情况下是等待的条件成立   

         //而被唤醒，唤醒后，该进程会先锁定先pthread_mutex_lock(&mtx);，再读取资源   

         //用这个流程是比较清楚的/*block-->unlock-->wait() return-->lock*/   

         pthread_cond_wait(&cond, &mtx);   

         p = head;   

         head = head->n_next;   

         printf("Got %d from front of queue/n", p->n_number);  

         free(p);   

          }   

          pthread_mutex_unlock(&mtx); //临界区数据操作完毕，释放互斥锁   

     }   

     pthread_cleanup_pop(0);   

     return 0;   

}   

   

int main(void)   

{  

     pthread_t tid;   

     int i;   

     struct node *p;   

     //子线程会一直等待资源，类似生产者和消费者，但是这里的消费者可以是多个消费者，而   

     //不仅仅支持普通的单个消费者，这个模型虽然简单，但是很强大  

     pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);   

     sleep(1);   

     for (i = 0; i < 10; i++)   

     {   

         p = (struct node*)malloc(sizeof(struct node));   

         p->n_number = i;   

         pthread_mutex_lock(&mtx); //需要操作head这个临界资源，先加锁，   

         p->n_next = head;   

         head = p;   

         pthread_cond_signal(&cond);   

         pthread_mutex_unlock(&mtx); //解锁   

         sleep(1);   

     }   

     printf("thread 1 wanna end the line.So cancel thread 2./n");   

       

     //关于pthread_cancel，有一点额外的说明，它是从外部终止子线程，子线程会在最近的取消点，退出   

     //线程，而在我们的代码里，最近的取消点肯定就是pthread_cond_wait()了。   

     pthread_cancel(tid);   

     pthread_join(tid, NULL);   

     printf("All done -- exiting/n");   

     return 0;   

}  

 

3）信号量

    如同进程一样，线程也可以通过信号量来实现通信，虽然是轻量级的。

    信号量函数的名字都以"sem_"打头。线程使用的基本信号量函数有四个。

#include <semaphore.h>

int sem_init (sem_t *sem , int pshared, unsigned int value);

    这是对由sem指定的信号量进行初始化，设置好它的共享选项（linux 只支持为0，即表示它是当前进程的局部信号量），然后给它一个初始值VALUE。

两个原子操作函数：

int sem_wait(sem_t *sem);

int sem_post(sem_t *sem);

    这两个函数都要用一个由sem_init调用初始化的信号量对象的指针做参数。

sem_post：给信号量的值加1；

sem_wait:给信号量减1；对一个值为0的信号量调用sem_wait,这个函数将会等待直到有其它线程使它不再是0为止。

int sem_destroy(sem_t *sem);

    这个函数的作用是再我们用完信号量后都它进行清理。归还自己占有的一切资源。

 

示例代码：

Cpp代码  

#include <stdlib.h>   

#include <stdio.h>   

#include <unistd.h>   

#include <pthread.h>   

#include <semaphore.h>   

#include <errno.h>   

      

#define return_if_fail(p) if((p) == 0){printf ("[%s]:func error!/n", __func__);return;}   

      

typedef struct _PrivInfo   

{   

  sem_t s1;   

  sem_t s2;   

  time_t end_time;   

}PrivInfo;   

      

static void info_init (PrivInfo* thiz);   

static void info_destroy (PrivInfo* thiz);   

static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz);   

static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz);   

      

int main (int argc, char** argv)   

{   

  pthread_t pt_1 = 0;   

  pthread_t pt_2 = 0;   

  int ret = 0;   

  PrivInfo* thiz = NULL;   

        

  thiz = (PrivInfo* )malloc (sizeof (PrivInfo));   

  if (thiz == NULL)   

  {   

    printf ("[%s]: Failed to malloc priv./n");   

    return -1;   

  }   

      

  info_init (thiz);   

      

  ret = pthread_create (&pt_1, NULL, (void*)pthread_func_1, thiz);   

  if (ret != 0)   

  {   

    perror ("pthread_1_create:");   

  }   

      

  ret = pthread_create (&pt_2, NULL, (void*)pthread_func_2, thiz);   

  if (ret != 0)   

  {   

     perror ("pthread_2_create:");   

  }   

      

  pthread_join (pt_1, NULL);   

  pthread_join (pt_2, NULL);   

      

  info_destroy (thiz);   

        

  return 0;   

}   

      

static void info_init (PrivInfo* thiz)   

{   

  return_if_fail (thiz != NULL);   

      

  thiz->end_time = time(NULL) + 10;   

        

  sem_init (&thiz->s1, 0, 1);   

  sem_init (&thiz->s2, 0, 0);   

      

  return;   

}   

      

static void info_destroy (PrivInfo* thiz)   

{   

  return_if_fail (thiz != NULL);   

      

  sem_destroy (&thiz->s1);   

  sem_destroy (&thiz->s2);   

      

  free (thiz);   

  thiz = NULL;   

      

  return;   

}   

      

static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz)   

{   

  return_if_fail (thiz != NULL);   

      

  while (time(NULL) < thiz->end_time)   

  {   

    sem_wait (&thiz->s2);   

    printf ("pthread1: pthread1 get the lock./n");   

      

    sem_post (&thiz->s1);   

    printf ("pthread1: pthread1 unlock/n");   

      

    sleep (1);   

  }   

      

  return;   

}   

      

static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz)   

{   

  return_if_fail (thiz != NULL);   

      

  while (time (NULL) < thiz->end_time)   

  {   

    sem_wait (&thiz->s1);   

    printf ("pthread2: pthread2 get the unlock./n");   

      

    sem_post (&thiz->s2);   

    printf ("pthread2: pthread2 unlock./n");   

      

    sleep (1);   

  }   

      

  return;   

}  

  

 

通 过执行结果后，可以看出，会先执行线程二的函数，然后再执行线程一的函数。它们两就实现了同步。在上大学的时候，虽然对这些概念知道，可都没有实践过，所 以有时候时间一久就会模糊甚至忘记，到了工作如果还保持这么一种状态，那就太可怕了。虽然现在外面的技术在不断的变化更新，可是不管怎么变，其核心技术还 是依旧的，所以我们必须要打好自己的基础，再学习其他新的知识，那时候再学新的知识也会觉得比较简单的。信号量代码摘自http://blog.csdn.net/wtz1985/article/details/3835781

参考：

【1】 http://www.cnblogs.com/feisky/archive/2009/11/12/1601824.html

【2】 http://www.cnblogs.com/mydomain/archive/2011/07/10/2102147.html

【3】 线程函数介绍

http://www.unix.org/version2/whatsnew/threadsref.html

【4】 http://www.yolinux.com/TUTORIALS/LinuxTutorialPosixThreads.html

【5】 线程常用函数简介

http://www.rosoo.net/a/201004/8954.html

【6】 条件变量

http://blog.csdn.net/hiflower/article/details/2195350

【7】条件变量函数说明

http://blog.csdn.net/hairetz/article/details/4535920

总结

以上是生活随笔为你收集整理的Linux多线程同步的几种方式的全部内容，希望文章能够帮你解决所遇到的问题。

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