linux線程基礎----線程同步與互斥
一、同步的概念
1.同步概念
所謂同步，即同時起步，協調一致。不同的對象，對“同步”的理解方式略有不同。如，設備同步，是指在兩個設備
之間規定一個共同的時間參考；數據庫同步，是指讓兩個或多個數據庫內容保持一致，或者按需要部分保持一致；
文件同步，是指讓兩個或多個文件夾里的文件保持一致等等。而編程中、通信中所說的同步與生活中大家印象中的
同步概念略有差異。“同”字應是指協同、協助、互相配合。主旨在協同步調，按預定的先后次序運行。
2.數據混亂的原因
1. 資源共享（獨享資源則不會）
2. 調度隨機（意味着數據訪問會出現競爭）
3. 線程間缺乏必要的同步機制。
以上3點中，前兩點不能改變，欲提高效率，傳遞數據，資源必須共享。只要共享資源，就一定會出現競爭。只要存在競爭關系，
數據就很容易出現混亂。所以只能從第三點着手解決。使多個線程在訪問共享資源的時候，出現互斥。
3.線程同步
同步即協同步調，按預定的先后次序運行。
線程同步，指一個線程發出某一功能調用時，在沒有得到結果之前，該調用不返回。同時其它線程為保證數據一致性，不能調用
該功能。同步”的目的，是為了避免數據混亂，解決與時間有關的錯誤。實際上，不僅線程間需要同步，進程間、信號間等等都
需要同步機制。因此，所有“多個控制流，共同操作一個共享資源”的情況，都需要同步。
二、線程同步
線程同步主要有互斥鎖，條件變量，讀寫鎖和信號量（還有自旋鎖但在用戶層不常用，具體參考APUE11.6.7自旋鎖）
1.互斥鎖
Linux中提供一把互斥鎖mutex（也稱之為互斥量）。
每個線程在對資源操作前都嘗試先加鎖，成功加鎖才能操作，操作結束解鎖。
資源還是共享的，線程間也還是競爭的，
但通過“鎖”就將資源的訪問變成互斥操作，而后與時間有關的錯誤也不會再產生了。
但，應注意：同一時刻，只能有一個線程持有該鎖。
當A線程對某個全局變量加鎖訪問，B在訪問前嘗試加鎖，拿不到鎖，B阻塞。
C線程不去加鎖，而直接訪問該全局變量，依然能夠訪問，但會出現數據混亂。
所以，互斥鎖實質上是操作系統提供的一把“建議鎖”（又稱“協同鎖”），
建議程序中有多線程訪問共享資源的時候使用該機制。但並沒有強制限定。
因此，即使有了mutex，如果有線程不按規則來訪問數據，依然會造成數據混亂。
主要應用函數：
pthread_mutex_init函數
pthread_mutex_destroy函數
pthread_mutex_lock函數
pthread_mutex_trylock函數
pthread_mutex_unlock函數
以上5個函數的返回值都是：成功返回0， 失敗返回錯誤號。
pthread_mutex_t 類型，其本質是一個結構體。為簡化理解，應用時可忽略其實現細節，簡單當成整數看待。
pthread_mutex_t mutex; 變量mutex只有兩種取值1、0。
pthread_mutex_init函數
初始化一個互斥鎖(互斥量) ---> 初值可看作1
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
參1：傳出參數，調用時應傳 &mutex
restrict關鍵字：只用於限制指針，告訴編譯器，所有修改該指針指向內存中內容的操作，只能通過本指針完成。
不能通過除本指針以外的其他變量或指針修改
參2：互斥量屬性。是一個傳入參數，通常傳NULL，選用默認屬性(線程間共享)。 參APUE.12.4同步屬性
- 靜態初始化：如果互斥鎖 mutex 是靜態分配的（定義在全局，或加了static關鍵字修飾），可以直接使用宏進行初始化。
- e.g. pthead_mutex_t muetx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
- 動態初始化：局部變量應采用動態初始化。e.g. pthread_mutex_init(&mutex, NULL)
pthread_mutex_destroy函數
銷毀一個互斥鎖
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
pthread_mutex_lock函數
加鎖。可理解為將mutex--（或-1）
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
pthread_mutex_unlock函數
解鎖。可理解為將mutex ++（或+1）
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
pthread_mutex_trylock函數
嘗試加鎖
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
加鎖與解鎖
lock與unlock：
lock嘗試加鎖，如果加鎖不成功，線程阻塞，阻塞到持有該互斥量的其他線程解鎖為止。
unlock主動解鎖函數，同時將阻塞在該鎖上的所有線程全部喚醒，至於哪個線程先被喚醒，取決於優先級、調度。默認：先阻塞、先喚醒。
例如：T1 T2 T3 T4 使用一把mutex鎖。T1加鎖成功，其他線程均阻塞，直至T1解鎖。T1解鎖后，T2 T3 T4均被喚醒，並自動再次嘗試加鎖。
可假想mutex鎖 init成功初值為1。 lock 功能是將mutex--， unlock將mutex++
lock與trylock：
lock加鎖失敗會阻塞，等待鎖釋放。
trylock加鎖失敗直接返回錯誤號（如：EBUSY），不阻塞。
示例代碼：生產者與消費者，頭文件參考UNPV22E
/* include main */ #include "unpipc.h" #define MAXNITEMS 1000000 #define MAXNTHREADS 100 int nitems; /* read-only by producer and consumer */ struct { pthread_mutex_t mutex; int buff[MAXNITEMS]; int nput; int nval; } shared = { PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER }; void *produce(void *), *consume(void *); int main(int argc, char **argv) { int i, nthreads, count[MAXNTHREADS]; pthread_t tid_produce[MAXNTHREADS], tid_consume; if (argc != 3) err_quit("usage: prodcons2 <#items> <#threads>"); nitems = min(atoi(argv[1]), MAXNITEMS); nthreads = min(atoi(argv[2]), MAXNTHREADS); Set_concurrency(nthreads); /* 4start all the producer threads */ for (i = 0; i < nthreads; i++) { count[i] = 0; Pthread_create(&tid_produce[i], NULL, produce, &count[i]); } /* 4wait for all the producer threads */ for (i = 0; i < nthreads; i++) { Pthread_join(tid_produce[i], NULL); printf("count[%d] = %d\n", i, count[i]); } /* 4start, then wait for the consumer thread */ Pthread_create(&tid_consume, NULL, consume, NULL); Pthread_join(tid_consume, NULL); exit(0); } /* end main */ /* include producer */ void * produce(void *arg) { for ( ; ; ) { Pthread_mutex_lock(&shared.mutex); if (shared.nput >= nitems) { Pthread_mutex_unlock(&shared.mutex); return(NULL); /* array is full, we're done */ } shared.buff[shared.nput] = shared.nval; shared.nput++; shared.nval++; Pthread_mutex_unlock(&shared.mutex); *((int *) arg) += 1; } } void * consume(void *arg) { int i; for (i = 0; i < nitems; i++) { if (shared.buff[i] != i) printf("buff[%d] = %d\n", i, shared.buff[i]); } return(NULL); } /* end producer */
2.條件變量
條件本身不是鎖！但它也可以造成線程阻塞。通常與互斥鎖配合使用。給多線程提供一個會合的場所。
互斥鎖用於上鎖，條件變量用於等待。
主要應用函數：
pthread_cond_init函數
pthread_cond_destroy函數
pthread_cond_wait函數
pthread_cond_timedwait函數
pthread_cond_signal函數
pthread_cond_broadcast函數
以上6 個函數的返回值都是：成功返回0， 失敗直接返回錯誤號。
pthread_cond_t類型 用於定義條件變量
pthread_cond_t cond;
pthread_cond_init函數
初始化一個條件變量，定義在全局，因為要在子線程中使用。
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);
參2：attr表條件變量屬性，通常為默認值，傳NULL即可
也可以使用靜態初始化的方法，初始化條件變量，定義在全局：
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_cond_destroy函數
銷毀一個條件變量
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
pthread_cond_wait函數
阻塞等待一個條件變量
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);
函數作用：
1.阻塞等待條件變量cond（參1）滿足
2.釋放已掌握的互斥鎖（解鎖互斥量）相當於pthread_mutex_unlock(&mutex);
1.2.兩步為一個原子操作，不可分割。
3.當被喚醒，pthread_cond_wait函數返回時，解除阻塞並重新申請獲取互斥鎖pthread_mutex_lock(&mutex);
pthread_cond_timedwait函數
限時等待一個條件變量，使用相對時間，所以要先使用time()函數獲取當前時間。
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime);
參3：
struct timespec {
time_t tv_sec; /* seconds */ 秒
long tv_nsec; /* nanosecondes*/ 納秒
}
形參abstime：絕對時間。
如：time(NULL)返回的就是絕對時間。而alarm(1)是相對時間，相對當前時間定時1秒鍾。
struct timespec t = {1, 0};
sem_timedwait(&sem, &t); 這樣只能定時到 1970年1月1日 00:00:01秒(早已經過去)
正確用法：
time_t cur = time(NULL); 獲取當前時間。
struct timespec t; 定義timespec 結構體變量t
t.tv_sec = cur+1; 定時1秒
pthread_cond_timedwait (&cond, &t); 傳參 參APUE.11.6線程同步
在講解setitimer函數時我們還提到另外一種時間類型：
struct timeval {
time_t tv_sec; /* seconds */ 秒
suseconds_t tv_usec; /* microseconds */ 微秒
};
pthread_cond_signal函數
喚醒至少一個阻塞在條件變量上的線程
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
pthread_cond_broadcast函數
喚醒全部阻塞在條件變量上的線程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
示例代碼：生產者消費者模型
/*借助條件變量模擬 生產者-消費者 問題*/ #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <pthread.h> #include <stdio.h>
/*鏈表作為公享數據,需被互斥量保護*/
struct msg { struct msg *next; int num; }; struct msg *head; /* 靜態初始化 一個條件變量 和 一個互斥量*/ 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) { //頭指針為空,說明沒有節點 可以為if嗎
pthread_cond_wait(&has_product, &lock); } mp = head; head = mp->next; //模擬消費掉一個產品
pthread_mutex_unlock(&lock); printf("-Consume %lu---%d\n", pthread_self(), mp->num); free(mp); sleep(rand() % 4); } } void *producer(void *p) { struct msg *mp; for (;;) { mp = malloc(sizeof(struct msg)); mp->num = rand() % 1000 + 1; //模擬生產一個產品
printf("-Produce -------------%d\n", mp->num); pthread_mutex_lock(&lock); mp->next = head; head = mp; pthread_mutex_unlock(&lock); pthread_cond_signal(&has_product); //將等待在該條件變量上的一個線程喚醒
sleep(rand() % 4); } } 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_create(&cid, NULL, consumer, NULL); pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL); pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL); pthread_join(pid, NULL); pthread_join(cid, NULL); return 0; }
條件變量的優點：
相較於mutex而言，條件變量可以減少競爭。如直接使用mutex，除了生產者、消費者之間要競爭互斥量以外，
消費者之間也需要競爭互斥量，但如果匯聚（鏈表）中沒有數據，消費者之間競爭互斥鎖是無意義的。
有了條件變量機制以后，只有生產者完成生產，才會引起消費者之間的競爭。提高了程序效率。
3.讀寫鎖
與互斥量類似，但讀寫鎖允許更高的並行性。其特性為：寫獨占，讀共享。
讀寫鎖狀態：
一把讀寫鎖具備三種狀態：
1. 讀模式下加鎖狀態 (讀鎖)
2. 寫模式下加鎖狀態 (寫鎖)
3. 不加鎖狀態
讀寫鎖特性：
1.讀寫鎖是“寫模式加鎖”時， 解鎖前，所有對該鎖加鎖的線程都會被阻塞。
2.讀寫鎖是“讀模式加鎖”時， 如果線程以讀模式對其加鎖會成功；如果線程以寫模式加鎖會阻塞。
3.讀寫鎖是“讀模式加鎖”時， 既有試圖以寫模式加鎖的線程，也有試圖以讀模式加鎖的線程。
那么讀寫鎖會阻塞隨后的讀模式鎖請求。優先滿足寫模式鎖。讀鎖、寫鎖並行阻塞，寫鎖優先級高
讀寫鎖也叫共享-獨占鎖。當讀寫鎖以讀模式鎖住時，它是以共享模式鎖住的；當它以寫模式鎖住時，它是以獨占模式鎖住的。寫獨占、讀共享。
讀寫鎖非常適合於對數據結構讀的次數遠大於寫的情況。
主要應用函數：
pthread_rwlock_init函數
pthread_rwlock_destroy函數
pthread_rwlock_rdlock函數
pthread_rwlock_wrlock函數
pthread_rwlock_tryrdlock函數
pthread_rwlock_trywrlock函數
pthread_rwlock_unlock函數
以上7 個函數的返回值都是：成功返回0， 失敗直接返回錯誤號。
pthread_rwlock_t類型 用於定義一個讀寫鎖變量。
pthread_rwlock_t rwlock;
pthread_rwlock_init函數
初始化一把讀寫鎖
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);
參2：attr表讀寫鎖屬性，通常使用默認屬性，傳NULL即可。
pthread_rwlock_destroy函數
銷毀一把讀寫鎖
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
pthread_rwlock_rdlock函數
以讀方式請求讀寫鎖。（常簡稱為：請求讀鎖）
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
pthread_rwlock_wrlock函數
以寫方式請求讀寫鎖。（常簡稱為：請求寫鎖）
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
pthread_rwlock_unlock函數
解鎖
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
pthread_rwlock_tryrdlock函數
非阻塞以讀方式請求讀寫鎖（非阻塞請求讀鎖）
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
pthread_rwlock_trywrlock函數
非阻塞以寫方式請求讀寫鎖（非阻塞請求寫鎖）
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
示例代碼：同時有多個線程對同一全局數據讀、寫操作。
#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <pthread.h> int counter; pthread_rwlock_t rwlock; /* 3個線程不定時寫同一全局資源，5個線程不定時讀同一全局資源 */ void *th_write(void *arg) { int t; int i = (int)arg; while (1) { pthread_rwlock_wrlock(&rwlock); t = counter; usleep(1000); printf("=======write %d: %lu: counter=%d ++counter=%d\n", i, pthread_self(), t, ++counter); pthread_rwlock_unlock(&rwlock); usleep(10000); } return NULL; } void *th_read(void *arg) { int i = (int)arg; while (1) { pthread_rwlock_rdlock(&rwlock); printf("----------------------------read %d: %lu: %d\n", i, pthread_self(), counter); pthread_rwlock_unlock(&rwlock); usleep(2000); } return NULL; } int main(void) { int i; pthread_t tid[8]; pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL); for (i = 0; i < 3; i++) pthread_create(&tid[i], NULL, th_write, (void *)i); for (i = 0; i < 5; i++) pthread_create(&tid[i+3], NULL, th_read, (void *)i); for (i = 0; i < 8; i++) pthread_join(tid[i], NULL); pthread_rwlock_destroy(&rwlock); return 0; }
4.信號量
信號量有posix有名信號量和無名信號量，還有system V信號量，在這里主要介紹posix無名信號量用於線程同步。
進化版的互斥鎖（1 --> N）
由於互斥鎖的粒度比較大，如果我們希望在多個線程間對某一對象的部分數據進行共享，使用互斥鎖是沒有辦法實現的，只能將整個數據對象鎖住。
這樣雖然達到了多線程操作共享數據時保證數據正確性的目的，卻無形中導致線程的並發性下降。線程從並行執行，變成了串行執行。與直接使用單進程無異。
信號量，是相對折中的一種處理方式，既能保證同步，數據不混亂，又能提高線程並發
主要應用函數：
sem_init函數
sem_destroy函數
sem_wait函數
sem_trywait函數
sem_timedwait函數
sem_post函數
以上6 個函數的返回值都是：成功返回0， 失敗返回-1，同時設置errno。(注意，它們沒有pthread前綴)
可以使用perror函數打印出錯信息。
sem_t類型，本質仍是結構體。但應用期間可簡單看作為整數，忽略實現細節（類似於使用文件描述符）。
sem_t sem; 規定信號量sem不能 < 0。頭文件 <semaphore.h>
信號量基本操作：
sem_wait: 1. 信號量大於0，則信號量-- （類比pthread_mutex_lock）
| 2. 信號量等於0，造成線程阻塞
對應
|
sem_post： 將信號量++，同時喚醒阻塞在信號量上的線程 （類比pthread_mutex_unlock）
但，由於sem_t的實現對用戶隱藏，所以所謂的++、--操作只能通過函數來實現，而不能直接++、--符號。
信號量的初值，決定了占用信號量的線程的個數。
sem_init函數
初始化一個信號量
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
參1：sem信號量
參2：pshared取0用於線程間；取非0用於進程間
參3：value指定信號量初值
sem_destroy函數
銷毀一個信號量
int sem_destroy(sem_t *sem);
sem_wait函數
給信號量加鎖 --
int sem_wait(sem_t *sem);
sem_post函數
給信號量解鎖 ++
int sem_post(sem_t *sem);
sem_trywait函數
嘗試對信號量加鎖 -- (與sem_wait的區別類比lock和trylock)
int sem_trywait(sem_t *sem);
sem_timedwait函數
限時嘗試對信號量加鎖 --
int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);
參2：abs_timeout采用的是絕對時間。
定時1秒：
time_t cur = time(NULL); 獲取當前時間。
struct timespec t; 定義timespec 結構體變量t
t.tv_sec = cur+1; 定時1秒
sem_timedwait(&sem, &t); 傳參
示例代碼：生成者消費者模型，一個生產者多個消費者
/*信號量實現 生產者 消費者問題*/ #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <pthread.h> #include <stdio.h> #include <semaphore.h> #define NUM 5 int idex = 0; pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; //解決多個消費者之間的競爭 int queue[NUM]; //全局數組實現環形隊列 sem_t blank_number, product_number; //空格子信號量, 產品信號量 void *producer(void *arg) { int i = 0; while (1) { sem_wait(&blank_number); //生產者將空格子數--,為0則阻塞等待 queue[i] = rand() % 1000 + 1; //生產一個產品 printf("----Produce---%d\n", queue[i]); sem_post(&product_number); //將產品數++ i = (i+1) % NUM; //借助下標實現環形 sleep(rand()%1); } } void *consumer(void *arg) { while (1) { sem_wait(&product_number); //消費者將產品數--,為0則阻塞等待 printf("-Consume---%d %lu\n", queue[idex], pthread_self()); queue[idex] = 0; //消費一個產品 sem_post(&blank_number); //消費掉以后,將空格子數++ pthread_mutex_lock(&lock); idex = (idex+1) % NUM; pthread_mutex_unlock(&lock); sleep(rand()%1); } } int main(int argc, char *argv[]) { pthread_t pid, cid; sem_init(&blank_number, 0, NUM); //初始化空格子信號量為5 sem_init(&product_number, 0, 0); //產品數為0 pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL); pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL); pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL); pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL); pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL); pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL); pthread_join(pid, NULL); pthread_join(cid, NULL); sem_destroy(&blank_number); sem_destroy(&product_number); return 0; }