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Linux進程間通信與線程間同步詳解（全面詳細）

本文轉載自   查看原文   2014-07-01 15:19   2752    面試/ Linux 基礎
引用：http://community.csdn.net/Expert/TopicView3.asp?id=4374496
linux下進程間通信的幾種主要手段簡介：

   1. 管道（Pipe）及有名管道（named pipe）：管道可用於具有親緣關系進程間的通信，有名管道克服了管道沒有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它還允許無親緣關系進程間的通信；
   2. 信號（Signal）：信號是比較復雜的通信方式，用於通知接受進程有某種事件發生，除了用於進程間通信外，進程還可以發送信號給進程本身；linux除了支持Unix早期信號語義函數sigal外，還支持語義符合Posix.1標准的信號函數 sigaction（實際上，該函數是基於BSD的，BSD為了實現可靠信號機制，又能夠統一對外接口，用sigaction函數重新實現了signal 函數）；
   3. 報文（Message）隊列（消息隊列）：消息隊列是消息的鏈接表，包括Posix消息隊列system V消息隊列。有足夠權限的進程可以向隊列中添加消息，被賦予讀權限的進程則可以讀走隊列中的消息。消息隊列克服了信號承載信息量少，管道只能承載無格式字節流以及緩沖區大小受限等缺點。
   4. 共享內存：使得多個進程可以訪問同一塊內存空間，是最快的可用IPC形式。是針對其他通信機制運行效率較低而設計的。往往與其它通信機制，如信號量結合使用，來達到進程間的同步及互斥。
   5. 信號量（semaphore）：主要作為進程間以及同一進程不同線程之間的同步手段。
   6. 套接口（Socket）：更為一般的進程間通信機制，可用於不同機器之間的進程間通信。起初是由Unix系統的BSD分支開發出來的，但現在一般可以移植到其它類Unix系統上：Linux和System V的變種都支持套接字。
 
 
 
 
 
線程的最大特點是資源的共享性，但資源共享中的同步問題 是多線程編程的難點。linux下提供了多種方式來處理線程同步，最常用的是互斥鎖、條件變量和信號量。

1）互斥鎖（mutex）

    通過鎖機制實現線程間的同步。同一時刻只允許一個線程執行一個關鍵部分的代碼。

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,const pthread_mutex_attr_t *mutexattr);

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex *mutex);

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex *mutex);

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex *

(1)先初始化鎖init()或靜態賦值pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIER

attr_t有:

PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP:其余線程等待隊列

PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP:嵌套鎖,允許線程多次加鎖,不同線程,解鎖后重新競爭

PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP:檢錯,與一同,線程請求已用鎖,返回EDEADLK;

PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP:適應鎖,解鎖后重新競爭

(2)加鎖,lock,trylock,lock阻塞等待鎖,trylock立即返回EBUSY

(3)解鎖,unlock需滿足是加鎖狀態,且由加鎖線程解鎖

(4)清除鎖,destroy(此時鎖必需unlock,否則返回EBUSY,//Linux下互斥鎖不占用內存資源

示例代碼

  1. #include <cstdio> 
  2. #include <cstdlib> 
  3. #include <unistd.h> 
  4. #include <pthread.h> 
  5. #include "iostream" 
  6. using namespace std; 
  7. pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; 
  8. int tmp; 
  9. void* thread(void *arg) 
  10. { 
  11.     cout << "thread id is " << pthread_self() << endl; 
  12.     pthread_mutex_lock(&mutex); 
  13.     tmp = 12; 
  14.     cout << "Now a is " << tmp << endl; 
  15.     pthread_mutex_unlock(&mutex); 
  16.     return NULL; 
  17. } 
  19. int main() 
  20. { 
  21.     pthread_t id; 
  22.     cout << "main thread id is " << pthread_self() << endl; 
  23.     tmp = 3; 
  24.     cout << "In main func tmp = " << tmp << endl; 
  25.     if (!pthread_create(&id, NULL, thread, NULL)) 
  26.     { 
  27.         cout << "Create thread success!" << endl; 
  28.     } 
  29.     else 
  30.     { 
  31.         cout << "Create thread failed!" << endl; 
  32.     } 
  33.     pthread_join(id, NULL); 
  34.     pthread_mutex_destroy(&mutex); 
  35.     return 0; 
  36. }

編譯： g++ -o thread testthread.cpp -lpthread

說明：pthread庫不是Linux系統默認的庫，連接時需要使用靜態庫libpthread.a，所以在使用pthread_create()創建線程，以及調用pthread_atfork()函數建立fork處理程序時，需要鏈接該庫。在編譯中要加 -lpthread參數。

 

2）條件變量（cond）

    利用線程間共享的全局變量進行同步的一種機制。條件變量上的基本操作有：觸發條件(當條件變為 true 時)；等待條件，掛起線程直到其他線程觸發條件。

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond,pthread_condattr_t *cond_attr);   

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);

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);  //解除所有線程的阻塞

(1)初始化.init()或者pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIER（前者為動態初始化，后者為靜態初始化）;屬性置為NULL

(2)等待條件成立.pthread_wait,pthread_timewait.wait()釋放鎖,並阻塞等待條件變量為真，timewait()設置等待時間,仍未signal,返回ETIMEOUT(加鎖保證只有一個線程wait)

(3)激活條件變量:pthread_cond_signal,pthread_cond_broadcast(激活所有等待線程)

(4)清除條件變量:destroy;無線程等待,否則返回EBUSY

對於

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 *abstime);

一定要在mutex的鎖定區域內使用。

    如果要正確的使用pthread_mutex_lock與pthread_mutex_unlock，請參考

pthread_cleanup_push和pthread_cleanup_pop宏，它能夠在線程被cancel的時候正確的釋放mutex！

    另外，posix1標准說，pthread_cond_signal與pthread_cond_broadcast無需考慮調用線程是否是mutex的擁有者，也就是說，可以在lock與unlock以外的區域調用。如果我們對調用行為不關心，那么請在lock區域之外調用吧。

說明：

    (1)pthread_cond_wait 自動解鎖互斥量(如同執行了pthread_unlock_mutex)，並等待條件變量觸發。這時線程掛起，不占用CPU時間，直到條件變量被觸發（變量為ture）。在調用 pthread_cond_wait之前，應用程序必須加鎖互斥量。pthread_cond_wait函數返回前，自動重新對互斥量加鎖(如同執行了pthread_lock_mutex)。

    (2)互斥量的解鎖和在條件變量上掛起都是自動進行的。因此，在條件變量被觸發前，如果所有的線程都要對互斥量加鎖，這種機制可保證在線程加鎖互斥量和進入等待條件變量期間，條件變量不被觸發。條件變量要和互斥量相聯結，以避免出現條件競爭——個線程預備等待一個條件變量，當它在真正進入等待之前，另一個線程恰好觸發了該條件（條件滿足信號有可能在測試條件和調用pthread_cond_wait函數（block）之間被發出，從而造成無限制的等待）。

(3)pthread_cond_timedwait 和 pthread_cond_wait 一樣，自動解鎖互斥量及等待條件變量，但它還限定了等待時間。如果在abstime指定的時間內cond未觸發，互斥量mutex被重新加鎖，且pthread_cond_timedwait返回錯誤 ETIMEDOUT。abstime 參數指定一個絕對時間，時間原點與 time 和 gettimeofday 相同：abstime = 0 表示 1970年1月1日00:00:00 GMT。

(4)pthread_cond_destroy 銷毀一個條件變量，釋放它擁有的資源。進入 pthread_cond_destroy 之前，必須沒有在該條件變量上等待的線程。

    (5)條件變量函數不是異步信號安全的，不應當在信號處理程序中進行調用。特別要注意，如果在信號處理程序中調用 pthread_cond_signal 或pthread_cond_boardcast 函數，可能導致調用線程死鎖。

示例程序1

 

  1. #include <stdio.h>
  2. #include <pthread.h>
  3. #include "stdlib.h"
  4. #include "unistd.h"
  6. pthread_mutex_t mutex;
  7. pthread_cond_t cond;
  9. void hander(void *arg)
  10. {
  11.     free(arg); 
  12.     (void)pthread_mutex_unlock(&mutex);
  13. }
  15. void *thread1(void *arg)
  16. {
  17.      pthread_cleanup_push(hander, &mutex); 
  18.      while(1) 
  19.      { 
  20.          printf("thread1 is running\n"); 
  21.          pthread_mutex_lock(&mutex); 
  22.          pthread_cond_wait(&cond,&mutex); 
  23.          printf("thread1 applied the condition\n"); 
  24.          pthread_mutex_unlock(&mutex); 
  25.          sleep(4); 
  26.      } 
  27.      pthread_cleanup_pop(0); 
  28. } 
  30. void *thread2(void *arg)
  31. { 
  32.     while(1) 
  33.     { 
  34.         printf("thread2 is running\n"); 
  35.         pthread_mutex_lock(&mutex); 
  36.         pthread_cond_wait(&cond,&mutex); 
  37.         printf("thread2 applied the condition\n"); 
  38.         pthread_mutex_unlock(&mutex); 
  39.         sleep(1); 
  40.     }
  41. }
  43. int main()
  44. {
  45.      pthread_t thid1,thid2; 
  46.      printf("condition variable study!\n"); 
  47.      pthread_mutex_init(&mutex,NULL); 
  48.      pthread_cond_init(&cond,NULL); 
  49.      pthread_create(&thid1,NULL,thread1,NULL); 
  50.      pthread_create(&thid2,NULL,thread2,NULL); 
  51.      sleep(1); 
  52.      do 
  53.      { 
  54.          pthread_cond_signal(&cond); 
  55.      }while(1); 
  56.      sleep(20); 
  57.      pthread_exit(0); 
  58.      return 0;
  59. }

示例程序2：

  1. #include <pthread.h> 
  2. #include <unistd.h> 
  3. #include "stdio.h"
  4. #include "stdlib.h"
  6. static pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; 
  7. static pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER; 
  9. struct node 
  10. {
  11.      int n_number; 
  12.      struct node *n_next; 
  13. } *head = NULL; 
  15. /*[thread_func]*/ 
  16. static void cleanup_handler(void *arg) 
  17. {
  18.      printf("Cleanup handler of second thread./n"); 
  19.      free(arg); 
  20.      (void)pthread_mutex_unlock(&mtx); 
  21. } 
  23. static void *thread_func(void *arg) 
  24. {
  25.      struct node *p = NULL; 
  26.      pthread_cleanup_push(cleanup_handler, p); 
  27.      while (1) 
  28.      { 
  29.          //這個mutex主要是用來保證pthread_cond_wait的並發性
  30.          pthread_mutex_lock(&mtx); 
  31.          while (head == NULL) 
  32.          { 
  33.          //這個while要特別說明一下，單個pthread_cond_wait功能很完善，為何
  34.          //這里要有一個while (head == NULL)呢？因為pthread_cond_wait里的線 
  35.          //程可能會被意外喚醒，如果這個時候head != NULL，則不是我們想要的情況。 
  36.          //這個時候，應該讓線程繼續進入pthread_cond_wait 
  37.          // pthread_cond_wait會先解除之前的pthread_mutex_lock鎖定的mtx， 
  38.          //然后阻塞在等待對列里休眠，直到再次被喚醒（大多數情況下是等待的條件成立 
  39.          //而被喚醒，喚醒后，該進程會先鎖定先pthread_mutex_lock(&mtx);，再讀取資源 
  40.          //用這個流程是比較清楚的/*block-->unlock-->wait() return-->lock*/ 
  41.          pthread_cond_wait(&cond, &mtx); 
  42.          p = head; 
  43.          head = head->n_next; 
  44.          printf("Got %d from front of queue/n", p->n_number);
  45.          free(p); 
  46.           } 
  47.           pthread_mutex_unlock(&mtx); //臨界區數據操作完畢，釋放互斥鎖 
  48.      } 
  49.      pthread_cleanup_pop(0); 
  50.      return 0; 
  51. } 
  53. int main(void) 
  54. {
  55.      pthread_t tid; 
  56.      int i; 
  57.      struct node *p; 
  58.      //子線程會一直等待資源，類似生產者和消費者，但是這里的消費者可以是多個消費者，而 
  59.      //不僅僅支持普通的單個消費者，這個模型雖然簡單，但是很強大
  60.      pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL); 
  61.      sleep(1); 
  62.      for (i = 0; i < 10; i++) 
  63.      { 
  64.          p = (struct node*)malloc(sizeof(struct node)); 
  65.          p->n_number = i; 
  66.          pthread_mutex_lock(&mtx); //需要操作head這個臨界資源，先加鎖， 
  67.          p->n_next = head; 
  68.          head = p; 
  69.          pthread_cond_signal(&cond); 
  70.          pthread_mutex_unlock(&mtx); //解鎖 
  71.          sleep(1); 
  72.      } 
  73.      printf("thread 1 wanna end the line.So cancel thread 2./n"); 
  74.      
  75.      //關於pthread_cancel，有一點額外的說明，它是從外部終止子線程，子線程會在最近的取消點，退出 
  76.      //線程，而在我們的代碼里，最近的取消點肯定就是pthread_cond_wait()了。 
  77.      pthread_cancel(tid); 
  78.      pthread_join(tid, NULL); 
  79.      printf("All done -- exiting/n"); 
  80.      return 0; 
  81. }

3）信號量

    如同進程一樣，線程也可以通過信號量來實現通信，雖然是輕量級的。

    信號量函數的名字都以"sem_"打頭。線程使用的基本信號量函數有四個。

#include <semaphore.h>

int sem_init (sem_t *sem , int pshared, unsigned int value);

    這是對由sem指定的信號量進行初始化，設置好它的共享選項（linux 只支持為0，即表示它是當前進程的局部信號量），然后給它一個初始值VALUE。

兩個原子操作函數：

int sem_wait(sem_t *sem);

int sem_post(sem_t *sem);

    這兩個函數都要用一個由sem_init調用初始化的信號量對象的指針做參數。

sem_post：給信號量的值加1；

sem_wait:給信號量減1；對一個值為0的信號量調用sem_wait,這個函數將會等待直到有其它線程使它不再是0為止。

int sem_destroy(sem_t *sem);

    這個函數的作用是再我們用完信號量后都它進行清理。歸還自己占有的一切資源。

 

示例代碼：

 

  1. #include <stdlib.h> 
  2. #include <stdio.h> 
  3. #include <unistd.h> 
  4. #include <pthread.h> 
  5. #include <semaphore.h> 
  6. #include <errno.h> 
  7.     
  8. #define return_if_fail(p) if((p) == 0){printf ("[%s]:func error!/n", __func__);return;} 
  9.     
  10. typedef struct _PrivInfo 
  11. { 
  12.   sem_t s1; 
  13.   sem_t s2; 
  14.   time_t end_time; 
  15. }PrivInfo; 
  16.     
  17. static void info_init (PrivInfo* thiz); 
  18. static void info_destroy (PrivInfo* thiz); 
  19. static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz); 
  20. static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz); 
  21.     
  22. int main (int argc, char** argv) 
  23. { 
  24.   pthread_t pt_1 = 0; 
  25.   pthread_t pt_2 = 0; 
  26.   int ret = 0; 
  27.   PrivInfo* thiz = NULL; 
  28.       
  29.   thiz = (PrivInfo* )malloc (sizeof (PrivInfo)); 
  30.   if (thiz == NULL) 
  31.   { 
  32.     printf ("[%s]: Failed to malloc priv./n"); 
  33.     return -1; 
  34.   } 
  35.     
  36.   info_init (thiz); 
  37.     
  38.   ret = pthread_create (&pt_1, NULL, (void*)pthread_func_1, thiz); 
  39.   if (ret != 0) 
  40.   { 
  41.     perror ("pthread_1_create:"); 
  42.   } 
  43.     
  44.   ret = pthread_create (&pt_2, NULL, (void*)pthread_func_2, thiz); 
  45.   if (ret != 0) 
  46.   { 
  47.      perror ("pthread_2_create:"); 
  48.   } 
  49.     
  50.   pthread_join (pt_1, NULL); 
  51.   pthread_join (pt_2, NULL); 
  52.     
  53.   info_destroy (thiz); 
  54.       
  55.   return 0; 
  56. } 
  57.     
  58. static void info_init (PrivInfo* thiz) 
  59. { 
  60.   return_if_fail (thiz != NULL); 
  61.     
  62.   thiz->end_time = time(NULL) + 10; 
  63.       
  64.   sem_init (&thiz->s1, 0, 1); 
  65.   sem_init (&thiz->s2, 0, 0); 
  66.     
  67.   return; 
  68. } 
  69.     
  70. static void info_destroy (PrivInfo* thiz) 
  71. { 
  72.   return_if_fail (thiz != NULL); 
  73.     
  74.   sem_destroy (&thiz->s1); 
  75.   sem_destroy (&thiz->s2); 
  76.     
  77.   free (thiz); 
  78.   thiz = NULL; 
  79.     
  80.   return; 
  81. } 
  82.     
  83. static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz) 
  84. { 
  85.   return_if_fail (thiz != NULL); 
  86.     
  87.   while (time(NULL) < thiz->end_time) 
  88.   { 
  89.     sem_wait (&thiz->s2); 
  90.     printf ("pthread1: pthread1 get the lock./n"); 
  91.     
  92.     sem_post (&thiz->s1); 
  93.     printf ("pthread1: pthread1 unlock/n"); 
  94.     
  95.     sleep (1); 
  96.   } 
  97.     
  98.   return; 
  99. } 
  100.     
  101. static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz) 
  102. { 
  103.   return_if_fail (thiz != NULL); 
  104.     
  105.   while (time (NULL) < thiz->end_time) 
  106.   { 
  107.     sem_wait (&thiz->s1); 
  108.     printf ("pthread2: pthread2 get the unlock./n"); 
  109.     
  110.     sem_post (&thiz->s2); 
  111.     printf ("pthread2: pthread2 unlock./n"); 
  112.     
  113.     sleep (1); 
  114.   } 
  115.     
  116.   return; 
  117. }

通 過執行結果后，可以看出，會先執行線程二的函數，然后再執行線程一的函數。它們兩就實現了同步。在上大學的時候，雖然對這些概念知道，可都沒有實踐過，所 以有時候時間一久就會模糊甚至忘記，到了工作如果還保持這么一種狀態，那就太可怕了。雖然現在外面的技術在不斷的變化更新，可是不管怎么變，其核心技術還 是依舊的，所以我們必須要打好自己的基礎，再學習其他新的知識，那時候再學新的知識也會覺得比較簡單的。信號量代碼摘自http://blog.csdn.net/wtz1985/article/details/3835781

參考：

【1】 http://www.cnblogs.com/feisky/archive/2009/11/12/1601824.html

【2】 http://www.cnblogs.com/mydomain/archive/2011/07/10/2102147.html

【3】 線程函數介紹

http://www.unix.org/version2/whatsnew/threadsref.html

【4】 http://www.yolinux.com/TUTORIALS/LinuxTutorialPosixThreads.html

【5】 線程常用函數簡介

http://www.rosoo.net/a/201004/8954.html

【6】 條件變量

http://blog.csdn.net/hiflower/article/details/2195350

【7】條件變量函數說明

http://blog.csdn.net/hairetz/article/details/4535920

 

本文來自博文：

http://www.cnblogs.com/mydomain/archive/2011/08/14/2138455.html


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