线程同步
1. 线程同步概述
线程同步定义
线程同步,指的是控制多线程间的相对执行顺序,从而在线程间正确、有序地共享数据,以下为线程同步常见使用场合。
- 多线程执行的任务在顺序上存在依赖关系
- 线程间共享数据只能同时被一个线程使用
线程同步方法
在实际项目中,经常使用的线程同步方法主要分为三种:
- 互斥锁
- 条件变量
- posix信号量(包括有名信号量和无名信号量)
本节内容只介绍互斥锁和条件变量,posix信号量后续在posix ipc专题中介绍。
2. 互斥锁
互斥锁概念
互斥锁用于确保同一时间只有一个线程访问共享数据,使用方法为:
- 加锁
- 访问共享数据
- 解锁
对互斥锁加锁后,任何其他试图再次对其加锁的线程都会被阻塞,直到当前线程释放该互斥锁,解锁时所有阻塞线程都会变成可运行状态,但究竟哪个先运行,这一点是不确定的。
互斥锁基本api
初始化与销毁
互斥锁是用pthread_mutex_t
数据类型表示的,在使用互斥锁之前,需要先进行初始化,初始化方法有两种:
- 设置为常量
pthread_mutex_initializer
,只适用于静态分配的互斥锁 - 调用
pthread_mutex_init
函数,静态分配和动态分配的互斥锁都可以
互斥锁使用完以后,可以调用pthread_mutex_destroy
进行销毁,尤其是对于动态分配的互斥锁,在释放内存前,调用pthread_mutex_destroy是必须的。
pthread_mutex_t mutex = pthread_mutex_initializer; //两个函数的返回值:成功返回0,失败返回错误编号 int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr); int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
其中,pthread_mutex_init的第二个参数attr用于设置互斥锁的属性,如果要使用默认属性,只需把attr设为null。
上锁与解锁
//两个函数的返回值:成功返回0,失败返回错误编号 int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
对互斥锁上锁,需要调用pthread_mutex_lock
,如果互斥锁已经上锁,调用线程将阻塞到该互斥锁被释放。
对互斥锁解锁,需要调用pthread_mutex_unlock
。
两个特殊的上锁函数
尝试上锁
//成功返回0,失败返回错误编号 int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
如果不希望调用线程阻塞,可以使用pthread_mutex_trylock
尝试上锁:
- 若mutex未上锁,pthread_mutex_trylock将加锁成功,返回0
- 若mutex已上锁,pthread_mutex_trylock会加锁失败,返回
ebusy
限时上锁
//成功返回0,失败返回错误编号 int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *time);
pthread_mutex_timedlock
是一个可以设置阻塞时间的上锁函数:
- 当mutex已上锁时,调用线程会阻塞设定的时间
- 当达到设定时间时,pthread_mutex_timedlock将加锁失败并解除阻塞,返回
etimedout
关于第二个参数time,有两点需要注意:
- time表示等待的绝对时间,需要将其设为当前时间 + 等待时间
- time是由struct timespec指定的,它由秒和纳秒来描述时间
示例代码
/* * 测试使用上述4个加锁函数 */ #include <pthread.h> #include <time.h> #include <errno.h> #include <stdio.h> pthread_mutex_t mutex1; pthread_mutex_t mutex2; pthread_mutex_t mutex3; void *thread1_start(void *arg) { pthread_mutex_lock(&mutex1); printf("thread1 has locked mutex1\n"); sleep(2); //保证thread2执行时mutex1还未解锁 pthread_mutex_unlock(&mutex1); } void *thread2_start(void *arg) { if (pthread_mutex_trylock(&mutex2) == 0) printf("thread2 trylock mutex2 sucess\n"); if (pthread_mutex_trylock(&mutex1) == ebusy) printf("thread2 trylock mutex1 failed\n"); pthread_mutex_unlock(&mutex2); } void *thread3_start(void *arg) { struct timespec time; struct tm *tmp_time; char s[64]; int err; pthread_mutex_lock(&mutex3); printf("thread3 has locked mutex3\n"); /*获取当前时间,并转化为本地时间打印*/ clock_gettime(clock_realtime, &time); tmp_time = localtime(&time.tv_sec); strftime(s, sizeof(s), "%r", tmp_time); printf("current time is %s\n", s); /*设置time = 当前时间 + 等待时间10s*/ time.tv_sec = time.tv_sec + 10; /*mutex3已上锁,这里会阻塞*/ if (pthread_mutex_timedlock(&mutex3, &time) == etimedout) printf("pthread_mutex_timedlock mutex3 timeout\n"); /*再次获取当前时间,并转化为本地时间打印*/ clock_gettime(clock_realtime, &time); tmp_time = localtime(&time.tv_sec); strftime(s, sizeof(s), "%r", tmp_time); printf("the time is now %s\n", s); pthread_mutex_unlock(&mutex3); } int main() { pthread_t tid1; pthread_t tid2; pthread_t tid3; /*测试pthread_mutex_lock和pthread_mutex_trylock*/ pthread_mutex_init(&mutex1, null); pthread_mutex_init(&mutex2, null); pthread_create(&tid1, null, thread1_start, null); pthread_create(&tid2, null, thread2_start, null); if (pthread_join(tid1, null) == 0) { pthread_mutex_destroy(&mutex1); } if (pthread_join(tid2, null) == 0) { pthread_mutex_destroy(&mutex2); } /*测试pthread_mutex_timedlock*/ pthread_mutex_init(&mutex3, null); pthread_create(&tid3, null, thread3_start, null); if (pthread_join(tid3, null) == 0) { pthread_mutex_destroy(&mutex3); } return 0; }
3. 避免死锁
线程的死锁概念
线程间死锁,指的是线程间相互等待临界资源而造成彼此无法继续执行的现象。
产生死锁的四个必要条件
- 互斥条件:资源同时只能被一个线程使用,此时若有其他线程请求该资源,则请求线程必须等待
- 不可剥夺条件:线程获得的资源在未使用完毕前,不能被其他线程抢夺,只能由获得该资源的线程主动释放
- 请求与保持条件:线程已经至少得到了一个资源,但又提出了新的资源请求,而新的资源已被其他线程占有,此时请求线程被阻塞,但对自己已获得的资源保持不放
- 循环等待条件:存在一个资源等待环,环中每一个线程都占有下一个线程所需的至少一个资源
直观上看,循环等待条件似乎和死锁的定义一样,其实不然,因为死锁定义中的要求更为严格:
- 循环等待条件要求p(i+1)需要的资源,至少有一个来自p(i)即可
- 死锁定义要求p(i+1)需要的资源,由且仅由p(i)提供
如何避免死锁
- 所有线程以相同顺序加锁
- 给所有的临界资源分配一个唯一的序号,对应的线程锁也分配同样的序号,系统中的所有线程按照严格递增的次序请求资源
- 使用pthread_mutex_trylock尝试加锁,若失败就放弃上锁,同时释放已占有的锁
- 使用pthread_mutex_timedlock限时加锁,若超时就放弃上锁,同时释放已占有的锁
4. 条件变量
条件变量概念
- 条件变量是线程另一种可用的同步机制,它给多线程提供了一个回合的场所
- 条件变量本身需要由互斥锁保护,线程在改变条件之前必须先上锁,其他线程在获得互斥锁之前不会知道条件发生了改变
- 条件变量和互斥锁一起使用,可以使线程以无竞争的方式等待特定条件的发生
条件变量基本api
初始化与销毁
条件变量是用pthread_cond_t
数据类型表示的,和互斥锁类似,条件变量的初始化方法也有两种:
- 设置为常量
pthread_cond_initializer
,只适用于静态分配的条件变量 - 调用
pthread_cond_init
函数,适用于静态分配和动态分配的条件变量
条件变量使用完以后,可以调用pthread_cond_destroy
进行销毁,同样的,如果是动态分配的条件变量,在释放内存前,该操作也是必须的。
pthread_cond_t cond = pthread_cond_initializer; //两个函数的返回值:成功返回0,失败返回错误编号 int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr); int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
其中,pthread_cond_init的第二个参数attr用于设置条件变量的属性,如果要使用默认属性,只需把attr设为null。
等待条件满足
//两个函数的返回值:成功返回0,失败返回错误编号 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 *timeout);
可以调用pthread_cond_wait
函数等待条件满足,使用步骤如下,传递给函数的互斥锁对条件进行保护,在条件满足之前,调用线程将一直阻塞。
- 调用线程将锁住的互斥量传给pthread_cond_wait
- pthread_cond_wait自动把调用线程放到等待条件的线程列表上,然后对互斥锁解锁
- 当条件满足,pthread_cond_wait返回时,互斥锁再次被锁住
- pthread_cond_wait返回后,调用线程再对互斥锁解锁
pthread_cond_timedwait
是一个限时等待条件满足的函数,如果发生超时时条件还没满足,pthread_cond_timedwait将重新对互斥锁上锁,然后返回etimedout
错误。
注意:当条件满足从pthread_cond_wait和pthread_cond_timedwait返回时,调用线程必须重新计算条件,因为另一个线程可能已经在运行并改变了条件。
给线程发信号
有两个函数可以用于通知线程条件已经满足:
-
pthread_cond_signal
至少能唤醒一个等待该条件的线程 -
pthread_cond_broadcast
可以唤醒等待该条件的所有线程
//两个函数的返回值:成功返回0,失败返回错误编号 int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond); int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
在调用上面两个函数时,我们说这是在给线程发信号,注意,一定要先获取互斥锁,再改变条件,然后给线程发信号,最后再对互斥锁解锁。
示例代码
/* * 结合使用条件变量和互斥锁进行线程同步 */ #include <pthread.h> #include <stdio.h> static pthread_cond_t cond; static pthread_mutex_t mutex; static int cond_value; static int quit; void *thread_signal(void *arg) { while (!quit) { pthread_mutex_lock(&mutex); cond_value++; //改变条件,使条件满足 pthread_cond_signal(&cond); //给线程发信号 printf("signal send, cond_value: %d\n", cond_value); pthread_mutex_unlock(&mutex); sleep(1); } } void *thread_wait(void *arg) { while (!quit) { pthread_mutex_lock(&mutex); /*通过while (cond is true)来保证从pthread_cond_wait成功返回时,调用线程会重新检查条件*/ while (cond_value == 0) pthread_cond_wait(&cond, &mutex); cond_value--; printf("signal recv, cond_value: %d\n", cond_value); pthread_mutex_unlock(&mutex); sleep(1); } } int main() { pthread_t tid1; pthread_t tid2; pthread_cond_init(&cond, null); pthread_mutex_init(&mutex, null); pthread_create(&tid1, null, thread_signal, null); pthread_create(&tid2, null, thread_wait, null); sleep(5); quit = 1; pthread_join(tid1, null); pthread_join(tid2, null); pthread_cond_destroy(&cond); pthread_mutex_destroy(&mutex); return 0; }