Linux中實(shí)現(xiàn)線程同步的6種方法
linux線程同步的方法
下面是一個線程不安全的例子：
#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
int ticket_num=10000000;
void *sell_ticket(void *arg) {
while(ticket_num>0) {
ticket_num--;
}
}
int main() {
pthread_t t1,t2,t3;
pthread_create(&t1, NULL, &sell_ticket, NULL);
pthread_create(&t2, NULL, &sell_ticket, NULL);
pthread_create(&t3, NULL, &sell_ticket, NULL);
pthread_join(t1, NULL);
pthread_join(t2, NULL);
pthread_join(t3, NULL);
printf("ticket_num=%d\n", ticket_num);
return 0;
}
運(yùn)行結(jié)果如下：
# gcc no_lock_demo.c -o no_lock_demo.out -pthread
# ./no_lock_demo.out
ticket_num=-2
最后運(yùn)行的結(jié)果不是固定的，有可能是0、-1，如果有這個ticket_num變量代表是庫存的話，那么就會出現(xiàn)庫存為負(fù)數(shù)的情況，所以需要引入線程同步來保證線程安全。
Linux下提供了多種方式來處理線程同步，最常用的是互斥鎖、自旋鎖、信號量。
互斥鎖
互斥鎖本質(zhì)就是一個特殊的全局變量，擁有l(wèi)ock和unlock兩種狀態(tài)，unlock的互斥鎖可以由某個線程獲得，當(dāng)互斥鎖由某個線程持有后，這個互斥鎖會鎖上變成lock狀態(tài)，此后只有該線程有權(quán)力打開該鎖，其他想要獲得該互斥鎖的線程都會阻塞，直到互斥鎖被解鎖。
互斥鎖的類型：
普通鎖（PTHREAD_MUTEX_NORMAL）：互斥鎖默認(rèn)類型。當(dāng)一個線程對一個普通鎖加鎖以后，其余請求該鎖的線程將形成一個 等待隊列，并在該鎖解鎖后按照優(yōu)先級獲得它，這種鎖類型保證了資源分配的公平性。一個 線程如果對一個已經(jīng)加鎖的普通鎖再次加鎖，將引發(fā)死鎖；對一個已經(jīng)被其他線程加鎖的普 通鎖解鎖，或者對一個已經(jīng)解鎖的普通鎖再次解鎖，將導(dǎo)致不可預(yù)期的后果。
檢錯鎖（PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK）：一個線程如果對一個已經(jīng)加鎖的檢錯鎖再次加鎖，則加鎖操作返回EDEADLK；對一個已 經(jīng)被其他線程加鎖的檢錯鎖解鎖或者對一個已經(jīng)解鎖的檢錯鎖再次解鎖，則解鎖操作返回 EPERM。
嵌套鎖（PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE）：該鎖允許一個線程在釋放鎖之前多次對它加鎖而不發(fā)生死鎖；其他線程要獲得這個鎖，則當(dāng)前鎖的擁有者必須執(zhí)行多次解鎖操作；對一個已經(jīng)被其他線程加鎖的嵌套鎖解鎖，或者對一個已經(jīng)解鎖的嵌套鎖再次解鎖，則解鎖操作返回EPERM。
默認(rèn)鎖（PTHREAD_MUTEX_ DEFAULT）：一個線程如果對一個已經(jīng)加鎖的默認(rèn)鎖再次加鎖，或者雖一個已經(jīng)被其他線程加鎖的默 認(rèn)鎖解鎖，或者對一個解鎖的默認(rèn)鎖解鎖，將導(dǎo)致不可預(yù)期的后果；這種鎖實(shí)現(xiàn)的時候可能 被映射成上述三種鎖之一。
相關(guān)方法：
// 靜態(tài)方式創(chuàng)建互斥鎖 pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER? // 動態(tài)方式創(chuàng)建互斥鎖，其中參數(shù)mutexattr用于指定互斥鎖的類型，具體類型見上面四種，如果為NULL，就是普通鎖。 int pthread_mutex_init (pthread_mutex_t* mutex,const pthread_mutexattr_t* mutexattr); int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); // 加鎖，阻塞 int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex); // 嘗試加鎖，非阻塞 int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex); // 解鎖
例子：
#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
int ticket_num=10000000;
pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void *sell_ticket(void *arg) {
while(ticket_num>0) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
if(ticket_num>0) {
ticket_num--;
}
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
}
int main() {
pthread_t t1,t2,t3;
pthread_create(&t1, NULL, &sell_ticket, NULL);
pthread_create(&t2, NULL, &sell_ticket, NULL);
pthread_create(&t3, NULL, &sell_ticket, NULL);
pthread_join(t1, NULL);
pthread_join(t2, NULL);
pthread_join(t3, NULL);
printf("ticket_num=%d\n", ticket_num);
return 0;
}
自旋鎖
自旋鎖顧名思義就是一個死循環(huán)，不停的輪詢，當(dāng)一個線程未獲得自旋鎖時，不會像互斥鎖一樣進(jìn)入阻塞休眠狀態(tài)，而是不停的輪詢獲取鎖，如果自旋鎖能夠很快被釋放，那么性能就會很高，如果自旋鎖長時間不能夠被釋放，甚至里面還有大量的IO阻塞，就會導(dǎo)致其他獲取鎖的線程一直空輪詢，導(dǎo)致CPU使用率達(dá)到100%，特別CPU時間。
相關(guān)方法：
int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t *lock, int pshared)? // 創(chuàng)建自旋鎖 int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t *lock)? // 加鎖，阻塞 int pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t *lock)? // 嘗試加鎖，非阻塞 int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t *lock)? // 解鎖
例子：
#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
int ticket_num=10000000;
pthread_spinlock_t spinlock;
void *sell_ticket(void *arg) {
while(ticket_num>0) {
pthread_spin_lock(&spinlock);
if(ticket_num>0) {
ticket_num--;
}
pthread_spin_unlock(&spinlock);
}
}
int main() {
pthread_spin_init(&spinlock, 0);
pthread_t t1,t2,t3;
pthread_create(&t1, NULL, &sell_ticket, NULL);
pthread_create(&t2, NULL, &sell_ticket, NULL);
pthread_create(&t3, NULL, &sell_ticket, NULL);
pthread_join(t1, NULL);
pthread_join(t2, NULL);
pthread_join(t3, NULL);
printf("ticket_num=%d\n", ticket_num);
return 0;
}
信號量
信號量是一個計數(shù)器，用于控制訪問有限共享資源的線程數(shù)。
相關(guān)方法：
// 創(chuàng)建信號量 // pshared：一般取0，表示調(diào)用進(jìn)程的信號量。非0表示該信號量可以共享內(nèi)存的方式，為多個進(jìn)程所共享(Linux暫不支持)。 // value：信號量的初始值，可以并發(fā)訪問的線程數(shù)。 int sem_init (sem_t* sem, int pshared, unsigned int value); int sem_wait (sem_t* sem); // 信號量減1，信號量為0時就會阻塞 int sem_trywait (sem_t* sem); // 信號量減1，信號量為0時返回-1，不阻塞 int sem_timedwait (sem_t* sem, const struct timespec* abs_timeout); // 信號量減1，信號量為0時阻塞，直到abs_timeout超時返回-1 int sem_post (sem_t* sem); // 信號量加1
例子：
#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include <semaphore.h>
int ticket_num=10000000;
sem_t sem;
void *sell_ticket(void *arg) {
while(ticket_num>0) {
sem_wait(&sem);
if(ticket_num>0) {
ticket_num--;
}
sem_post(&sem);
}
}
int main() {
sem_init(&sem, 0, 1); // value=1表示最多1個線程同時訪問共享資源，與互斥量等價
pthread_t t1,t2,t3;
pthread_create(&t1, NULL, &sell_ticket, NULL);
pthread_create(&t2, NULL, &sell_ticket, NULL);
pthread_create(&t3, NULL, &sell_ticket, NULL);
pthread_join(t1, NULL);
pthread_join(t2, NULL);
pthread_join(t3, NULL);
printf("ticket_num=%d\n", ticket_num);
return 0;
}
條件變量
條件變量可以讓調(diào)用線程在滿足特定條件的情況下運(yùn)行，不滿足條件時阻塞等待被喚醒，必須與互斥鎖搭配使用。
條件變量常用于生產(chǎn)者與消費(fèi)者模型。
相關(guān)方法：
pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER; // 創(chuàng)建條件變量，一個互斥鎖可以對應(yīng)多個條件變量
int pthread_cond_wait (pthread_cond_t* cond,pthread_mutex_t* mutex); // 阻塞等待條件滿足，同時釋放互斥鎖mutex
int pthread_cond_timedwait (pthread_cond_t* cond,
pthread_mutex_t* mutex,
const struct timespec* abstime); // 帶超時的阻塞等待條件滿足，同時釋放互斥鎖mutex
// 從條件變量cond中喚出一個線程，令其重新獲得原先的互斥鎖
// 被喚出的線程此刻將從pthread_cond_wait函數(shù)中返回，但如果該線程無法獲得原先的鎖，則會繼續(xù)阻塞在加鎖上。
int pthread_cond_signal (pthread_cond_t* cond);
// 從條件變量cond中喚出所有線程
int pthread_cond_broadcast (pthread_cond_t* cond);
例子：
#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
int max_buffer=10;
int count=0;
pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t notempty=PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_cond_t notfull=PTHREAD_COND_INITIALIZER;
void *produce(void *args) {
while(1) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
while(count == max_buffer) {
printf("buffer is full, wait...\n");
pthread_cond_wait(¬full, &mutex);
}
printf("produce ...\n");
count++;
sleep(1);
pthread_cond_signal(¬empty);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
}
void *consumer(void *args) {
while(1) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
while(count == 0) {
printf("buffer is empty, wait...\n");
pthread_cond_wait(¬empty, &mutex);
}
printf("consumer ...\n");
count--;
sleep(1);
pthread_cond_signal(¬full);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
}
int main() {
pthread_t t1,t2,t3,t4;
pthread_create(&t1, NULL, &produce, NULL);
pthread_create(&t2, NULL, &produce, NULL);
pthread_create(&t3, NULL, &consumer, NULL);
pthread_create(&t4, NULL, &consumer, NULL);
pthread_join(t1, NULL);
return 0;
}
讀寫鎖
讀寫鎖可以有三種狀態(tài)：讀模式下加鎖狀態(tài)，寫模式下加鎖狀態(tài)，不加鎖狀態(tài)。一次只有一個線程可以占有寫模式的讀寫鎖，但是多個線程可以同時占有讀模式的讀寫鎖。讀寫鎖也叫做共享-獨(dú)占鎖，當(dāng)讀寫鎖以讀模式鎖住時，它是以共享模式鎖住的，當(dāng)它以寫模式鎖住時，它是以獨(dú)占模式鎖住的，讀讀共享，讀寫互斥。
相關(guān)方法：
// 創(chuàng)建讀寫鎖 pthread_rwlock_t rwlock=PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER; int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock)? // 加讀鎖，阻塞 int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock)? // 加寫鎖，阻塞 int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock)? // 釋放讀鎖或者寫鎖 int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock)? // 嘗試加讀鎖，非阻塞 int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock)? // 嘗試加寫鎖，非阻塞
例子：
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
pthread_rwlock_t rwlock=PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;
void *read(void *arg) {
while(1) {
pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
rintf("read message.\n");
sleep(1);
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
sleep(1);
}
}
void *write(void *arg) {
while(1) {
pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
printf("write message.\n");
sleep(1);
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
sleep(1);
}
}
int main(int argc,char *argv[]) {
pthread_t t1,t2,t3;
pthread_create(&t1, NULL, &read, NULL);
pthread_create(&t2, NULL, &read, NULL);
pthread_create(&t3, NULL, &write, NULL);
pthread_join(t1, NULL);
return 0;
}
屏障
屏障（barrier)是用戶協(xié)調(diào)多個線程并行工作的同步機(jī)制。屏障允許每個線程等待，直到所有的合作線程都到達(dá)某一點(diǎn)，然后所有線程都從該點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行。pthread_join函數(shù)就是一種屏障，允許一個線程等待，直到另一個線程退出。但屏障對象的概念更廣，允許任意數(shù)量的線程等待，直到所有的線程完成處理工作，而線程不需要退出，當(dāng)所有的線程達(dá)到屏障后可以接著工作。
相關(guān)方法：
// 創(chuàng)建屏障 int pthread_barrier_init(pthread_barrier_t *barrier,const pthread_barrrierattr_t *attr,unsigned int count) // 阻塞等待，直到所有線程都到達(dá) int pthread_barrier_wait(pthread_barrier_t *barrier)
例子：
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
pthread_barrier_t barrier;
void *go(void *arg){
sleep (rand () % 10);
printf("%lu is arrived.\n", pthread_self());
pthread_barrier_wait(&barrier);
printf("%lu go shopping...\n", pthread_self());
}
int main() {
pthread_barrier_init(&barrier, NULL, 3);
pthread_t t1,t2,t3;
pthread_create(&t1, NULL, &go, NULL);
pthread_create(&t2, NULL, &go, NULL);
pthread_create(&t3, NULL, &go, NULL);
pthread_join(t1, NULL);
return 0;
}
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