Linux线程同步

作者: Sharkchilli | 来源:发表于2020-09-05 12:14 被阅读0次

互斥量mutex

Linux中提供一把互斥锁mutex（也称之为互斥量）。

每个线程在对资源操作前都尝试先加锁，成功加锁才能操作，操作结束解锁。

资源还是共享的，线程间也还是竞争的，

但通过“锁”就将资源的访问变成互斥操作，而后与时间有关的错误也不会再产生了。

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但，应注意：同一时刻，只能有一个线程持有该锁。

当A线程对某个全局变量加锁访问，B在访问前尝试加锁，拿不到锁，B阻塞。C线程不去加锁，而直接访问该全局变量，依然能够访问，但会出现数据混乱。

所以，互斥锁实质上是操作系统提供的一把“建议锁”（又称“协同锁”），建议程序中有多线程访问共享资源的时候使用该机制。但，并没有强制限定。

因此，即使有了mutex，如果有线程不按规则来访问数据，依然会造成数据混乱。
gcc编译线程程序需带-lpthread选项

主要应用函数：

pthread_mutex_init函数
pthread_mutex_destroy函数
pthread_mutex_lock函数
pthread_mutex_trylock函数
pthread_mutex_unlock函数

以上5个函数的返回值都是：成功返回0，失败返回错误号。
pthread_mutex_t 类型，其本质是一个结构体。为简化理解，应用时可忽略其实现细节，简单当成整数看待。
pthread_mutex_t mutex; 变量mutex只有两种取值1、0。

pthread_mutex_init函数

初始化一个互斥锁(互斥量) ---> 初值可看作1
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

参1：传出参数，调用时应传 &mutex
restrict关键字：只用于限制指针，告诉编译器，所有修改该指针指向内存中内容的操作，只能通过本指针完成。不能通过除本指针以外的其他变量或指针修改
参2：互斥量属性。是一个传入参数，通常传NULL，选用默认属性(线程间共享)。参APUE.12.4同步属性
静态初始化：如果互斥锁 mutex 是静态分配的（定义在全局，或加了static关键字修饰），可以直接使用宏进行初始化。pthead_mutex_t muetx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
动态初始化：局部变量应采用动态初始化。 pthread_mutex_init(&mutex, NULL)

pthread_mutex_destroy函数

销毁一个互斥锁
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_lock函数

加锁。可理解为将mutex--（或-1）
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_unlock函数

解锁。可理解为将mutex ++（或+1）
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_trylock函数

尝试加锁
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

加锁与解锁

lock与unlock：

lock尝试加锁，如果加锁不成功，线程阻塞，阻塞到持有该互斥量的其他线程解锁为止。
unlock主动解锁函数，同时将阻塞在该锁上的所有线程全部唤醒，至于哪个线程先被唤醒，取决于优先级、调度。默认：先阻塞、先唤醒。
例如：T1 T2 T3 T4 使用一把mutex锁。T1加锁成功，其他线程均阻塞，直至T1解锁。T1解锁后，T2 T3 T4均被唤醒，并自动再次尝试加锁。
可假想mutex锁 init成功初值为1。 lock 功能是将mutex--。 unlock将mutex++

lock与trylock：

lock加锁失败会阻塞，等待锁释放。
trylock加锁失败直接返回错误号（如：EBUSY），不阻塞。
在访问共享资源前加锁，访问结束后立即解锁。锁的“粒度”应越小越好。

死锁

线程试图对同一个互斥量A加锁两次。
线程1拥有A锁，请求获得B锁；线程2拥有B锁，请求获得A锁

读写锁

与互斥量类似，但读写锁允许更高的并行性。其特性为：写独占，读共享

读写锁状态：

一把读写锁具备三种状态：
1. 读模式下加锁状态 (读锁)
2. 写模式下加锁状态 (写锁)
3. 不加锁状态

读写锁特性：

读写锁是“写模式加锁”时，解锁前，所有对该锁加锁的线程都会被阻塞。
读写锁是“读模式加锁”时，如果线程以读模式对其加锁会成功；如果线程以写模式加锁会阻塞。
读写锁是“读模式加锁”时，既有试图以写模式加锁的线程，也有试图以读模式加锁的线程。那么读写锁会阻塞随后的读模式锁请求。优先满足写模式锁。读锁、写锁并行阻塞，写锁优先级高
读写锁也叫共享-独占锁。当读写锁以读模式锁住时，它是以共享模式锁住的；当它以写模式锁住时，它是以独占模式锁住的。写独占、读共享。
读写锁非常适合于对数据结构读的次数远大于写的情况。

pthread_rwlock_init函数

初始化一把读写锁
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);

参2：attr表读写锁属性，通常使用默认属性，传NULL即可。

pthread_rwlock_destroy函数

销毁一把读写锁
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

pthread_rwlock_rdlock函数

以读方式请求读写锁。（常简称为：请求读锁）
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

pthread_rwlock_wrlock函数

以写方式请求读写锁。（常简称为：请求写锁）
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

pthread_rwlock_unlock函数

解锁
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

pthread_rwlock_tryrdlock函数

非阻塞以读方式请求读写锁（非阻塞请求读锁）
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

pthread_rwlock_trywrlock函数

非阻塞以写方式请求读写锁（非阻塞请求写锁）
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

例子

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

pthread_rwlock_t rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;
int beginnum = 1000;

void *thr_write(void *arg)
{
    while(1){
        pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
        printf("---%s---self---%lu---beginnum---%d\n",__FUNCTION__,pthread_self(),++beginnum);
        usleep(2000);//模拟占用时间
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        usleep(4000);
    }
    return NULL;
}

void *thr_read(void *arg)
{
    while(1){
        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
        printf("---%s---self---%lu---beginnum---%d\n",__FUNCTION__,pthread_self(),beginnum);
        usleep(2000);//模拟占用时间
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        usleep(2000);

    }
    return NULL;
}

int main()
{
    int n  =8,i = 0;
    pthread_t tid[8];//5-read ,3-write 
    for(i = 0; i < 5; i ++){
        pthread_create(&tid[i],NULL,thr_read,NULL);
    }
    for(;i < 8; i ++){
        pthread_create(&tid[i],NULL,thr_write,NULL);
    }

    for(i = 0; i < 8;i ++){
        pthread_join(tid[i],NULL);
    }
    return 0;
}

条件变量：

条件变量本身不是锁！但它也可以造成线程阻塞。通常与互斥锁配合使用。给多线程提供一个会合的场所。为什么有锁了还要条件变量?

pthread_cond_init函数

初始化一个条件变量
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);

参2：
attr表条件变量属性，通常为默认值，传NULL即可
也可以使用静态初始化的方法，初始化条件变量：
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

pthread_cond_destroy函数

销毁一个条件变量
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

pthread_cond_wait函数

阻塞等待一个条件变量
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);

函数作用：

阻塞等待条件变量cond（参1）满足
释放已掌握的互斥锁（解锁互斥量）相当于pthread_mutex_unlock(&mutex);
1.2.两步为一个原子操作。
当被唤醒，pthread_cond_wait函数返回时，解除阻塞并重新申请获取互斥锁pthread_mutex_lock(&mutex);

pthread_cond_timedwait函数

限时等待一个条件变量
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime);

参3：参看man sem_timedwait函数，查看struct timespec结构体。

struct timespec {
    time_t tv_sec;      /* seconds */ 秒
    long   tv_nsec; /* nanosecondes*/ 纳秒
}

形参abstime：绝对时间。
如：time(NULL)返回的就是绝对时间。而alarm(1)是相对时间，相对当前时间定时1秒钟。
struct timespec t = {1, 0};

pthread_cond_timedwait (&cond, &mutex, &t); 只能定时到 1970年1月1日 00:00:01秒(早已经过去)
正确用法：

time_t cur = time(NULL); //获取当前时间。
struct timespec t;  //定义timespec 结构体变量t
t.tv_sec = cur+1;// 定时1秒
pthread_cond_timedwait (&cond, &mutex, &t); //传参

在讲解setitimer函数时我们还提到另外一种时间类型：

struct timeval {
      time_t      tv_sec;  /* seconds */ 秒
      suseconds_t tv_usec;  /* microseconds */ 微秒
};

pthread_cond_signal函数

唤醒至少一个阻塞在条件变量上的线程
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

pthread_cond_broadcast函数

唤醒全部阻塞在条件变量上的线程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

生产者消费者条件变量模型

线程同步典型的案例即为生产者消费者模型，而借助条件变量来实现这一模型，是比较常见的一种方法。假定有两个线程，一个模拟生产者行为，一个模拟消费者行为。两个线程同时操作一个共享资源（一般称之为汇聚），生产向其中添加产品，消费者从中消费掉产品。
看如下示例，使用条件变量模拟生产者、消费者问题：

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

struct msg {
    struct msg *next;
    int num;
};
struct msg *head;

pthread_cond_t has_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void *consumer(void *p)
{
    struct msg *mp;
    for (;;) {
        pthread_mutex_lock(&lock);
        while (head == NULL) {           //头指针为空,说明没有节点    可以为if吗
            pthread_cond_wait(&has_product, &lock);
        }
        mp = head;      
        head = mp->next;                //模拟消费掉一个产品
        pthread_mutex_unlock(&lock);

        printf("-Consume ---%d\n", mp->num);
        free(mp);
        sleep(rand() % 5);
    }
}
void *producer(void *p)
{
    struct msg *mp;
    while (1) {
        mp = malloc(sizeof(struct msg));
        mp->num = rand() % 1000 + 1;        //模拟生产一个产品
        printf("-Produce ---%d\n", mp->num);

        pthread_mutex_lock(&lock);
        mp->next = head;
        head = mp;
        pthread_mutex_unlock(&lock);

        pthread_cond_signal(&has_product);  //将等待在该条件变量上的一个线程唤醒
        sleep(rand() % 5);
    }
}
int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t pid, cid;
    srand(time(NULL));

    pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);

    pthread_join(pid, NULL);
    pthread_join(cid, NULL);
    return 0;
}

条件变量的优点：

相较于mutex而言，条件变量可以减少竞争。
如直接使用mutex，除了生产者、消费者之间要竞争互斥量以外，消费者之间也需要竞争互斥量，但如果汇聚（链表）中没有数据，消费者之间竞争互斥锁是无意义的。有了条件变量机制以后，只有生产者完成生产，才会引起消费者之间的竞争。提高了程序效率。

信号量

进化版的互斥锁（1 --> N）
由于互斥锁的粒度比较大，如果我们希望在多个线程间对某一对象的部分数据进行共享，使用互斥锁是没有办法实现的，只能将整个数据对象锁住。这样虽然达到了多线程操作共享数据时保证数据正确性的目的，却无形中导致线程的并发性下降。线程从并行执行，变成了串行执行。与直接使用单进程无异。
信号量，是相对折中的一种处理方式，既能保证同步，数据不混乱，又能提高线程并发。

信号量基本操作：

sem_wait:

信号量大于0，则信号量-- （类比pthread_mutex_lock）
信号量等于0，造成线程阻塞

sem_post：
将信号量++，同时唤醒阻塞在信号量上的线程（类比pthread_mutex_unlock）
但，由于sem_t的实现对用户隐藏，所以所谓的++、--操作只能通过函数来实现，而不能直接++、--符号。
信号量的初值，决定了占用信号量的线程的个数。

sem_init函数

初始化一个信号量
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

参1：sem信号量
参2：pshared取0用于线程间；取非0（一般为1）用于进程间
参3：value指定信号量初值

sem_destroy函数

销毁一个信号量
int sem_destroy(sem_t *sem);

sem_wait函数

给信号量加锁 --
int sem_wait(sem_t *sem);

sem_post函数

*给信号量解锁 ++
int sem_post(sem_t *sem);

sem_trywait函数

尝试对信号量加锁 -- (与sem_wait的区别类比lock和trylock)
int sem_trywait(sem_t *sem);

sem_timedwait函数

限时尝试对信号量加锁 --
int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);

参2：abs_timeout采用的是绝对时间。
定时1秒：

time_t cur = time(NULL);// 获取当前时间。
struct timespec t;  //定义timespec 结构体变量t
t.tv_sec = cur+1;// 定时1秒
t.tv_nsec = t.tv_sec +100; 
sem_timedwait(&sem, &t); //传参

生产者消费者信号量模型

/*************************************************************************
    > File Name: sem_product.c
    > Author: fujie
    > Mail: 1243596620@qq.com 
    > Created Time: 2020年09月05日 星期六 11时38分32秒
 ************************************************************************/

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


//定义生产和消费的信号量
sem_t blank,xfull;
//信号量初始值
#define _SEM_CNT_ 5

//模拟消费队列
int queue[_SEM_CNT_];
int number = 100;

//生产者线程函数
void * thr_producter(void *arg){
    int i=0;
    while(1){
        //等待出现空位置
        sem_wait(&blank);
         printf("-----%s-----self--%lu----num----%d\n",__FUNCTION__,pthread_self(),number);
        //添加进队列
         queue[(i++)%_SEM_CNT_] = number;
        //通知唤醒等待的消费者线程
        sem_post(&xfull);
        sleep(rand()%3);
    }
    return NULL;
}

//消费者线程函数
void * thr_customer(void *arg){
    int i=0;
    int num=0;
    while(1){
        //等待队列出现有值
        sem_wait(&xfull);
        num = queue[(i++)%_SEM_CNT_];
        printf("-----%s-----self--%lu----num----%d\n",__FUNCTION__,pthread_self(),num);
        sem_post(&blank);
        sleep(rand()%3);
    }
    return NULL;
}


int main(){
    sem_init(&blank,0,_SEM_CNT_);
    sem_init(&xfull,0,0);

    pthread_t tid[2];
    pthread_create(&tid[0],NULL,thr_producter,NULL);
    pthread_create(&tid[1],NULL,thr_customer,NULL);

    pthread_join(tid[0],NULL);
    pthread_join(tid[1],NULL);

    sem_destroy(&blank);
    sem_destroy(&xfull);
    return 0;

}

文件锁

借助 fcntl函数来实现锁机制。操作文件的进程没有获得锁时，可以打开，但无法执行read、write操作。

fcntl函数：获取、设置文件访问控制属性。
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

参2：
F_SETLK (struct flock *) 设置文件锁（trylock）
F_SETLKW (struct flock *) 设置文件锁（lock）W --> wait
F_GETLK (struct flock *) 获取文件锁
参3：

struct flock {
       ...
      short l_type;     //锁的类型：F_RDLCK 、F_WRLCK 、F_UNLCK
      short l_whence;   //偏移位置：SEEK_SET、SEEK_CUR、SEEK_END 
      off_t l_start;        //起始偏移：1000
      off_t l_len;      //  长度：0表示整个文件加锁
      pid_t l_pid;     //   持有该锁的进程ID：(F_GETLK only)
              ...
 };

进程间文件锁示例(单开进程)

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>

#define _FILE_NAME_ "/home/fujie/temp.lock"

int main()
{
    int fd = open(_FILE_NAME_,O_RDWR|O_CREAT,0666);
    if(fd < 0){
        perror("open err");
        return -1;
    }
    struct flock lk;
    lk.l_type = F_WRLCK;
    lk.l_whence =SEEK_SET ;
    lk.l_start = 0;
    lk.l_len  =0;

    if(fcntl(fd,F_SETLK,&lk) < 0){
        perror("get lock err");
        exit(1);
    }
    // 核心逻辑
    while(1){
        printf("I am alive!\n");
        sleep(1);
    }
    return 0;
}