同步和互斥

互斥：多線程中互斥是指多個(gè)線程訪問(wèn)同一資源時(shí)同時(shí)只允許一個(gè)線程對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn)，具有唯一性和排它性。但互斥無(wú)法限制訪問(wèn)者對(duì)資源的訪問(wèn)順序，即訪問(wèn)是無(wú)序的；

同步：多線程同步是指在互斥的基礎(chǔ)上（大多數(shù)情況），通過(guò)其它機(jī)制實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)者對(duì)資源的有序訪問(wèn)。在大多數(shù)情況下，同步已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了互斥，特別是所有寫(xiě)入資源的情況必定是互斥的。少數(shù)情況是指可以允許多個(gè)訪問(wèn)者同時(shí)訪問(wèn)資源。

互斥鎖

在多任務(wù)操作系統(tǒng)中，同時(shí)運(yùn)行的多個(gè)任務(wù)可能都需要使用同一種資源。為了同一時(shí)刻只允許一個(gè)任務(wù)訪問(wèn)資源，需要用互斥鎖對(duì)資源進(jìn)行保護(hù)。互斥鎖是一種簡(jiǎn)單的加鎖的方法來(lái)控制對(duì)共享資源的訪問(wèn)，互斥鎖只有兩種狀態(tài),即上鎖( lock )和解鎖( unlock )。

互斥鎖操作基本流程

訪問(wèn)共享資源前，對(duì)互斥鎖進(jìn)行加鎖

完成加鎖后訪問(wèn)共享資源

對(duì)共享資源完成訪問(wèn)后，對(duì)互斥鎖進(jìn)行解鎖

對(duì)互斥鎖進(jìn)行加鎖后，任何其他試圖再次對(duì)互斥鎖加鎖的線程將會(huì)被阻塞，直到鎖被釋放

互斥鎖特性

原子性：互斥鎖是一個(gè)原子操作，操作系統(tǒng)保證如果一個(gè)線程鎖定了一個(gè)互斥鎖，那么其他線程在同一時(shí)間不會(huì)成功鎖定這個(gè)互斥鎖

唯一性：如果一個(gè)線程鎖定了一個(gè)互斥鎖，在它解除鎖之前，其他線程不可以鎖定這個(gè)互斥鎖

非忙等待：如果一個(gè)線程已經(jīng)鎖定了一個(gè)互斥鎖，第二個(gè)線程又試圖去鎖定這個(gè)互斥鎖，則第二個(gè)線程將被掛起且不占用任何CPU資源，直到第一個(gè)線程解除對(duì)這個(gè)互斥鎖的鎖定為止，第二個(gè)線程則被喚醒并繼續(xù)執(zhí)行，同時(shí)鎖定這個(gè)互斥鎖

示例

#include
#include
#include
#include
#include

char*pTestBuf=nullptr;//全局變量

/*定義互斥鎖*/
pthread_mutex_tmutex;

void*ThrTestMutex(void*p)
{
pthread_mutex_lock(&mutex);//加鎖
{
pTestBuf=(char*)p;
sleep(1);
}
pthread_mutex_unlock(&mutex);//解鎖
}

intmain()
{
/*初始化互斥量,默認(rèn)屬性*/
pthread_mutex_init(&mutex,NULL);

/*創(chuàng)建兩個(gè)線程對(duì)共享資源訪問(wèn)*/
pthread_ttid1,tid2;
pthread_create(&tid1,NULL,ThrTestMutex,(void*)"Thread1");
pthread_create(&tid2,NULL,ThrTestMutex,(void*)"Thread2");

/*等待線程結(jié)束*/
pthread_join(tid1,NULL);
pthread_join(tid2,NULL);

/*銷毀互斥鎖*/
pthread_mutex_destroy(&mutex);

return0;
}

讀寫(xiě)鎖

讀寫(xiě)鎖允許更高的并行性，也叫共享互斥鎖。互斥量要么是加鎖狀態(tài)，要么就是解鎖狀態(tài)，而且一次只有一個(gè)線程可以對(duì)其加鎖。讀寫(xiě)鎖可以有3種狀態(tài)：讀模式下加鎖狀態(tài)、寫(xiě)模式加鎖狀態(tài)、不加鎖狀態(tài)。一次只有一個(gè)線程可以占有寫(xiě)模式的讀寫(xiě)鎖，但是多個(gè)線程可以同時(shí)占有讀模式的讀寫(xiě)鎖,即允許多個(gè)線程讀但只允許一個(gè)線程寫(xiě)。

當(dāng)讀操作較多，寫(xiě)操作較少時(shí)，可用讀寫(xiě)鎖提高線程讀并發(fā)性

讀寫(xiě)鎖特性

如果有線程讀數(shù)據(jù)，則允許其它線程執(zhí)行讀操作，但不允許寫(xiě)操作

如果有線程寫(xiě)數(shù)據(jù)，則其它線程都不允許讀、寫(xiě)操作

如果某線程申請(qǐng)了讀鎖，其它線程可以再申請(qǐng)讀鎖，但不能申請(qǐng)寫(xiě)鎖

如果某線程申請(qǐng)了寫(xiě)鎖，其它線程不能申請(qǐng)讀鎖，也不能申請(qǐng)寫(xiě)鎖

讀寫(xiě)鎖適合于對(duì)數(shù)據(jù)的讀次數(shù)比寫(xiě)次數(shù)多得多的情況

讀寫(xiě)鎖創(chuàng)建和銷毀

#include
intphtread_rwlock_init(pthread_rwlock_t*restrictrwlock,constpthread_rwlockattr_t*restrictattr);
intpthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t*rwlock);

參數(shù)：rwlock：讀寫(xiě)鎖，attr：讀寫(xiě)鎖屬性

返回值：成功返回0，出錯(cuò)返回錯(cuò)誤碼

讀寫(xiě)鎖加鎖解鎖

#include
/**加讀鎖*/
intpthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t*rwlock);
/**加寫(xiě)鎖*/
intpthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t*rwlock);
/**釋放鎖*/
intpthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t*rwlock);

參數(shù)：rwlock：讀寫(xiě)鎖

返回值：成功返回 0；出錯(cuò)，返回錯(cuò)誤碼

示例

#include
#include
#include
#include
#include

/*定義讀寫(xiě)鎖*/
pthread_rwlock_trwlock;

/*定義共享資源變量*/
intg_nNum=0;

/*讀操作其他線程允許讀操作不允許寫(xiě)操作*/
void*fun1(void*arg)
{
while(1)
{
pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
{
printf("readthread1==%d
",g_nNum);
}
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

sleep(1);
}
}

/*讀操作，其他線程允許讀操作，不允許寫(xiě)操作*/
void*fun2(void*arg)
{
while(1)
{
pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
{
printf("readthread2==%d
",g_nNum);
}
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

sleep(1);
}
}

/*寫(xiě)操作，其它線程都不允許讀或?qū)懖僮?/
void*fun3(void*arg)
{
while(1)
{
pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
{
g_nNum++;
printf("writethread1
");
}
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
sleep(1);
}
}
/*寫(xiě)操作，其它線程都不允許讀或?qū)懖僮?/
void*fun4(void*arg)
{
while(1)
{
pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
{
g_nNum++;
printf("writethread2
");
}
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

sleep(1);
}
}

intmain(intarc,char*argv[])
{
pthread_tThrId1,ThrId2,ThrId3,ThrId4;

pthread_rwlock_init(&rwlock,NULL);//初始化一個(gè)讀寫(xiě)鎖

/*創(chuàng)建測(cè)試線程*/
pthread_create(&ThrId1,NULL,fun1,NULL);
pthread_create(&ThrId2,NULL,fun2,NULL);
pthread_create(&ThrId3,NULL,fun3,NULL);
pthread_create(&ThrId4,NULL,fun4,NULL);

/*等待線程結(jié)束，回收其資源*/
pthread_join(ThrId1,NULL);
pthread_join(ThrId2,NULL);
pthread_join(ThrId3,NULL);
pthread_join(ThrId4,NULL);

pthread_rwlock_destroy(&rwlock);//銷毀讀寫(xiě)鎖

return0;
}

結(jié)果

自旋鎖

自旋鎖與互斥鎖功能相同，唯一不同的就是互斥鎖阻塞后休眠不占用CPU，而自旋鎖阻塞后不會(huì)讓出CPU，會(huì)一直忙等待，直到得到鎖

自旋鎖在用戶態(tài)較少用，而在內(nèi)核態(tài)使用的比較多

自旋鎖的使用場(chǎng)景：鎖的持有時(shí)間比較短，或者說(shuō)小于2次上下文切換的時(shí)間

自旋鎖在用戶態(tài)的函數(shù)接口和互斥量一樣，把pthread_mutex_lock()/pthread_mutex_unlock()中mutex換成spin，如：pthread_spin_init()

自旋鎖函數(shù)

linux中的自旋鎖用結(jié)構(gòu)體spinlock_t 表示，定義在include/linux/spinlock_type.h。自旋鎖的接口函數(shù)全部定義在include/linux/spinlock.h頭文件中，實(shí)際使用時(shí)只需include即可

示例

include
spinlock_tlock;//定義自旋鎖
spin_lock_init(&lock);//初始化自旋鎖
spin_lock(&lock);//獲得鎖，如果沒(méi)獲得成功則一直等待
{
.......//處理臨界資源
}
spin_unlock(&lock);//釋放自旋鎖

條件變量

條件變量用來(lái)阻塞一個(gè)線程，直到條件發(fā)生。通常條件變量和互斥鎖同時(shí)使用。條件變量使線程可以睡眠等待某種條件滿足。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。

條件變量的邏輯：一個(gè)線程掛起去等待條件變量的條件成立，而另一個(gè)線程使條件成立。

基本原理

線程在改變條件狀態(tài)之前先鎖住互斥量。如果條件為假，線程自動(dòng)阻塞，并釋放等待狀態(tài)改變的互斥鎖。如果另一個(gè)線程改變了條件，它發(fā)信號(hào)給關(guān)聯(lián)的條件變量，喚醒一個(gè)或多個(gè)等待它的線程。如果兩進(jìn)程共享可讀寫(xiě)的內(nèi)存，條件變量可以被用來(lái)實(shí)現(xiàn)這兩進(jìn)程間的線程同步

示例

#include
#include
#include
#include

pthread_cond_ttaxicond=PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_ttaximutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void*ThrFun1(void*name)
{
char*p=(char*)name;

//加鎖，把信號(hào)量加入隊(duì)列，釋放信號(hào)量
pthread_mutex_lock(&taximutex);
{
pthread_cond_wait(&taxicond,&taximutex);
}
pthread_mutex_unlock(&taximutex);

printf("ThrFun1:%snowgotasignal!
",p);
pthread_exit(NULL);
}

void*ThrFun2(void*name)
{
char*p=(char*)name;
printf("ThrFun2:%scondsignal.
",p);//發(fā)信號(hào)
pthread_cond_signal(&taxicond);
pthread_exit(NULL);
}

intmain(intargc,char**argv)
{
pthread_tThread1,Thread2;
pthread_attr_tthreadattr;
pthread_attr_init(&threadattr);//線程屬性初始化

//創(chuàng)建三個(gè)線程
pthread_create(&Thread1,&threadattr,ThrFun1,(void*)"Thread1");
sleep(1);

pthread_create(&Thread2,&threadattr,ThrFun2,(void*)"Thread2");
sleep(1);

pthread_join(Thread1,NULL);
pthread_join(Thread2,NULL);

return0;
}

結(jié)果

虛假喚醒

當(dāng)線程從等待已發(fā)出信號(hào)的條件變量中醒來(lái)，卻發(fā)現(xiàn)它等待的條件不滿足時(shí)，就會(huì)發(fā)生虛假喚醒。之所以稱為虛假，是因?yàn)樵摼€程似乎無(wú)緣無(wú)故地被喚醒了。但是虛假喚醒不會(huì)無(wú)緣無(wú)故發(fā)生：它們通常是因?yàn)樵诎l(fā)出條件變量信號(hào)和等待線程最終運(yùn)行之間，另一個(gè)線程運(yùn)行并更改了條件

避免虛假喚醒

在wait端，我們必須把判斷條件和wait()放到while循環(huán)中

pthread_mutex_lock(&taximutex);
{
while(value!=wantValue)
{
pthread_cond_wait(&taxicond,&taximutex);
}
}
pthread_mutex_unlock(&taximutex);

信號(hào)量

信號(hào)量用于進(jìn)程或線程間的同步和互斥，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)。編程時(shí)可根據(jù)操作信號(hào)量值的結(jié)果判斷是否對(duì)公共資源具有訪問(wèn)的權(quán)限，當(dāng)信號(hào)量值大于0時(shí)，則可以訪問(wèn)，否則將阻塞

#include

//初始化信號(hào)量
intsem_init(sem_t*sem,intpshared,unsignedintvalue);

//信號(hào)量P操作（減1）
intsem_wait(sem_t*sem);

//以非阻塞的方式來(lái)對(duì)信號(hào)量進(jìn)行減1操作
intsem_trywait(sem_t*sem);

//信號(hào)量V操作（加1）
intsem_post(sem_t*sem);

//獲取信號(hào)量的值
intsem_getvalue(sem_t*sem,int*sval);

//銷毀信號(hào)量
intsem_destroy(sem_t*sem);

示例

//信號(hào)量用于同步實(shí)例
#include
#include
#include
#include

sem_tsem_g,sem_p;//定義兩個(gè)信號(hào)量
chars8Test='a';

void*pthread_g(void*arg)//此線程改變字符的值
{
while(1)
{
sem_wait(&sem_g);
s8Test++;
sleep(2);
sem_post(&sem_p);
}
}
void*pthread_p(void*arg)//此線程打印字符的值
{
while(1)
{
sem_wait(&sem_p);
printf("%c",s8Test);
fflush(stdout);
sem_post(&sem_g);
}
}
intmain(intargc,char*argv[])
{
pthread_ttid1,tid2;
sem_init(&sem_g,0,0);//初始化信號(hào)量為0
sem_init(&sem_p,0,1);//初始化信號(hào)量為1

pthread_create(&tid1,NULL,pthread_g,NULL);
pthread_create(&tid2,NULL,pthread_p,NULL);

pthread_join(tid1,NULL);
pthread_join(tid2,NULL);
return0;
}

結(jié)果

審核編輯：劉清