Linux 线程同步的三种方法

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。
一、互斥锁(mutex)
通过锁机制实现线程间的同步。
初始化锁。在Linux下，线程的互斥量数据类型是pthread_mutex_t。在使用前,要对它进行初始化。
静态分配：
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
动态分配：
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutex_attr_t *mutexattr);
加锁。对共享资源的访问，要对互斥量进行加锁，如果互斥量已经上了锁，调用线程会阻塞，直到互斥量被解锁。
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
解锁。在完成了对共享资源的访问后，要对互斥量进行解锁。
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
销毁锁。锁在是使用完成后，需要进行销毁以释放资源。
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex *mutex);

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int gn;

void* thread(void *arg)
{
    printf("thread's ID is  %d\n",pthread_self());
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    gn = 12;
    printf("Now gn = %d\n",gn);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t id;
    printf("main thread's ID is %d\n",pthread_self());
    gn = 3;
    printf("In main func, gn = %d\n",gn);
    if (!pthread_create(&id, NULL, thread, NULL)) {
        printf("Create thread success!\n");
    } else {
        printf("Create thread failed!\n");
    }
    pthread_join(id, NULL);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    return 0;
} 

二、条件变量(cond)

互斥锁不同，条件变量是用来等待而不是用来上锁的。条件变量用来自动阻塞一个线程，直到某特殊情况发生为止。通常条件变量和互斥锁同时使用。条件变量分为两部分: 条件和变量。条件本身是由互斥量保护的。线程在改变条件状态前先要锁住互斥量。条件变量使我们可以睡眠等待某种条件出现。条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制，主要包括两个动作：一个线程等待”条件变量的条件成立”而挂起；另一个线程使”条件成立”（给出条件成立信号）。条件的检测是在互斥锁的保护下进行的。如果一个条件为假，一个线程自动阻塞，并释放等待状态改变的互斥锁。如果另一个线程改变了条件，它发信号给关联的条件变量，唤醒一个或多个等待它的线程，重新获得互斥锁，重新评价条件。如果两进程共享可读写的内存，条件变量可以被用来实现这两进程间的线程同步。
初始化条件变量。
静态态初始化，pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIER;
动态初始化，int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr);
等待条件成立。释放锁,同时阻塞等待条件变量为真才行。timewait()设置等待时间,仍未signal,返回ETIMEOUT(加锁保证只有一个线程wait)
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);
**条件变量。pthread_cond_signal,pthread_cond_broadcast（**所有等待线程）
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
清除条件变量。无线程等待,否则返回EBUSY
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

#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;  
}  

#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;  

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  
            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;  
}  

三、信号量(sem)
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。
信号量初始化。
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。
等待信号量。给信号量减1，然后等待直到信号量的值大于0。
int sem_wait(sem_t *sem);
释放信号量。信号量值加1。并通知其他等待线程。
int sem_post(sem_t *sem);
销毁信号量。我们用完信号量后都它进行清理。归还占有的一切资源。
int sem_destroy(sem_t *sem);

#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;  
}