Linux線程管理必備:解析互斥量與條件變量的詳解
做過(guò)稍微大一點(diǎn)項(xiàng)目的人都知道，力求程序的穩(wěn)定性和調(diào)度的方便，使用了大量的線程，幾乎每個(gè)模塊都有一個(gè)專門的線程處理函數(shù)。而互斥量與條件變量在線程管理中必不可少，任務(wù)間的調(diào)度幾乎都是由互斥量與條件變量控制。互斥量的實(shí)現(xiàn)與進(jìn)程中的信號(hào)量（無(wú)名信號(hào)量）是類似的，當(dāng)然，信號(hào)量也可以用于線程，區(qū)別在于初始化的時(shí)候，其本質(zhì)都是P/V操作。編譯時(shí)，記得加上-lpthread或-lrt哦。
有關(guān)進(jìn)程間通信(消息隊(duì)列)見(jiàn)：進(jìn)程間通信之深入消息隊(duì)列的詳解
一、互斥量
1. 初始化與銷毀:
對(duì)于靜態(tài)分配的互斥量, 可以初始化為PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER（等價(jià)于pthread_mutex_init(…, NULL)）或調(diào)用pthread_mutex_init。
對(duì)于動(dòng)態(tài)分配的互斥量, 在申請(qǐng)內(nèi)存(malloc)之后,通過(guò)pthread_mutex_init進(jìn)行初始化, 并且在釋放內(nèi)存(free)前需要調(diào)用pthread_mutex_destroy.
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t*restric attr);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
返回值：成功則返回0,出錯(cuò)則返回錯(cuò)誤編號(hào).
說(shuō)明：1、如果使用默認(rèn)的屬性初始化互斥量,只需把a(bǔ)ttr設(shè)為NULL。
2、銷毀一個(gè)互斥鎖即意味著釋放它所占用的資源，且要求鎖當(dāng)前處于開(kāi)放狀態(tài)。由于在Linux中，互斥鎖并不占用任何資源，因此 LinuxThreads中的pthread_mutex_destroy()除了檢查鎖狀態(tài)以外（鎖定狀態(tài)則返回EBUSY）沒(méi)有其他動(dòng)作。
2. 互斥操作:
對(duì)共享資源的訪問(wèn), 要對(duì)互斥量進(jìn)行加鎖,如果互斥量已經(jīng)上了鎖, 調(diào)用線程會(huì)阻塞,直到互斥量被解鎖。在完成了對(duì)共享資源的訪問(wèn)后, 要對(duì)互斥量進(jìn)行解鎖。
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); //P操作：請(qǐng)求資源（+1）
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);//V操作：釋放資源（-1）
返回值：成功則返回0,出錯(cuò)則返回錯(cuò)誤編號(hào).
說(shuō)明：1、想給一個(gè)互斥量上鎖，我們調(diào)用pthread_mutex_lock。如果mutex已經(jīng)上鎖，調(diào)用的線程將會(huì)被阻塞，直至信號(hào)量解鎖。
2、具體說(shuō)一下trylock函數(shù), 這個(gè)函數(shù)是非阻塞調(diào)用模式,也就是說(shuō), 如果互斥量沒(méi)被鎖住,trylock函數(shù)將把互斥量加鎖, 并獲得對(duì)共享資源的訪問(wèn)權(quán)限；如果互斥量被鎖住了,trylock函數(shù)將不會(huì)阻塞等待而直接返回EBUSY, 表示共享資源處于忙狀態(tài)。
3、要解鎖一個(gè)信號(hào)量，我們調(diào)用phtread_mutex_unlock。
3. 死鎖、同步、與互斥的關(guān)系
3.1 死鎖:
有時(shí)，可能需要同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)資源。您可能正在使用其中的一個(gè)資源，隨后發(fā)現(xiàn)還需要另一個(gè)資源。如果兩個(gè)線程嘗試聲明這兩個(gè)資源，但是以不同的順序鎖定與這些資源相關(guān)聯(lián)的互斥鎖，則會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。例如，如果兩個(gè)線程分別鎖定互斥鎖1 和互斥鎖 2，則每個(gè)線程嘗試鎖定另一個(gè)互斥鎖時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)死鎖。下面的例子說(shuō)明了可能的死鎖情況。
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線程 1 |
線程 2 |
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pthread_mutex_lock(&m1); pthread_mutex_lock(&m2); do something…… pthread_mutex_unlock(&m2); pthread_mutex_unlock(&m1); |
pthread_mutex_lock(&m2); pthread_mutex_lock(&m1); do something…… pthread_mutex_unlock(&m1); pthread_mutex_unlock(&m2); |
3.2 同步：
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線程 1 |
線程 2 |
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pthread_mutex_lock(&m1); do something…… pthread_mutex_unlock(&m2); |
pthread_mutex_lock(&m2); do something…… pthread_mutex_unlock(&m1); |
3.3 互斥：
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線程 1 |
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pthread_mutex_lock(&m1); do something……//臨界區(qū)（Critical Section） pthread_mutex_unlock(&m1); |
4. 互斥量之前輩總結(jié)
1.對(duì)共享資源操作前一定要獲得鎖。
2.完成操作以后一定要釋放鎖。
3.盡量短時(shí)間地占用鎖。
4.如果有多鎖, 如獲得順序是ABC連環(huán)扣,釋放順序也應(yīng)該是ABC。
5.線程錯(cuò)誤返回時(shí)應(yīng)該釋放它所獲得的鎖。
二、條件變量
1. 創(chuàng)建和注銷
條件變量和互斥鎖一樣，都有靜態(tài)動(dòng)態(tài)兩種創(chuàng)建方式
a. 靜態(tài)方式
靜態(tài)方式使用PTHREAD_COND_INITIALIZER常量，如： pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER
b. 動(dòng)態(tài)方式
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr)
使用 cond_attr 指定的屬性初始化條件變量 cond，當(dāng) cond_attr為 NULL時(shí)，使用缺省的屬性。LinuxThreads實(shí)現(xiàn)條件變量不支持屬性，因此 cond_attr參數(shù)實(shí)際被忽略。
c. 注銷
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond)
注銷一個(gè)條件變量需要調(diào)用pthread_cond_destroy()，只有在沒(méi)有線程在該條件變量上等待的時(shí)候才能注銷這個(gè)條件變量，否則返回EBUSY。因?yàn)?/SPAN>Linux實(shí)現(xiàn)的條件變量沒(méi)有分配什么資源，所以注銷動(dòng)作只包括檢查是否有等待線程。
2. 等待和激發(fā)
2.1 等待
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex)
這個(gè)函數(shù)是POSIX線程信號(hào)發(fā)送系統(tǒng)的核心，也是最難以理解的部分，過(guò)程為：解鎖-wait-收到信號(hào)-加鎖-返回。
2.2 設(shè)置時(shí)間的等待
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex, conststruct timespec *abstime)
pthread_cond_timedwait和 pthread_cond_wait一樣，自動(dòng)解鎖互斥量及等待條件變量，但它還限定了等待時(shí)間。如果在 abstime指定的時(shí)間內(nèi) cond未觸發(fā)，互斥量 mutex被重新加鎖，并返回錯(cuò)誤 ETIMEDOUT。abstime參數(shù)指定一個(gè)絕對(duì)時(shí)間，時(shí)間原點(diǎn)與 time和 gettimeofday相同：abstime = 0表示 1970 年 1月 1 日 00:00:00 GMT。
2.3 激發(fā)
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
激發(fā)條件有兩種形式，pthread_cond_signal()激活一個(gè)等待該條件的線程，多個(gè)線程阻塞在此條件變量上時(shí)，哪一個(gè)線程被喚醒是由線程的調(diào)度策略所決定的；而pthread_cond_broadcast()則激活所有等待線程，這些線程被喚醒后將再次競(jìng)爭(zhēng)相應(yīng)的互斥鎖。
要注意的是，必須用保護(hù)條件變量的互斥鎖來(lái)保護(hù)激活函數(shù)，否則條件滿足信號(hào)有可能在測(cè)試條件和調(diào)用pthread_cond_wait()函數(shù)之間被發(fā)出，從而造成無(wú)限制的等待。
三、互斥量與條件變量
互斥量存在的問(wèn)題：從本質(zhì)上說(shuō)互斥量就是一把鎖，互斥量串行執(zhí)行，能確保每次只有一個(gè)線程訪問(wèn)。互斥量是線程程序必需的工具，但它們并非萬(wàn)能的。例如，如果線程正在輪詢等待共享數(shù)據(jù)內(nèi)某個(gè)條件出現(xiàn)，那會(huì)發(fā)生什么呢？它可以重復(fù)對(duì)互斥對(duì)象鎖定和解鎖，每次都會(huì)檢查共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以查找某個(gè)值。但這是在浪費(fèi)時(shí)間和資源，而且這種繁忙查詢的效率非常低。同樣，在每次檢查之間讓線程短暫地進(jìn)入睡眠，比如睡眠3s，但是因此線程代碼就無(wú)法最快作出響應(yīng)。
問(wèn)題的解決： 條件變量通過(guò)允許線程阻塞和等待另一個(gè)線程發(fā)送信號(hào)的方法彌補(bǔ)了互斥鎖的不足，條件變量常和互斥鎖一起使用。使用時(shí)，條件變量被用來(lái)阻塞一個(gè)線程，當(dāng)條件不滿足時(shí)，線程往往解開(kāi)相應(yīng)的互斥鎖并等待條件發(fā)生變化。一旦其它的某個(gè)線程改變了條件變量，它將通知相應(yīng)的條件變量喚醒一個(gè)或多個(gè)正被此條件變量阻塞的線程。這些線程將重新鎖定互斥鎖并重新測(cè)試條件是否滿足。
四、線程管理相關(guān)代碼
//省略了線程互斥量以及條件變量的初始化
//線程管理：阻塞sec秒讀取線程信息
//三個(gè)參數(shù)分別為：線程信息、線程ID、超時(shí)秒數(shù)
bool ManagePthread_TimeReadSignal(PTHREAD_BUF *rbuf, PTHREAD_ID thread_num, int sec)
{
bool b_valid = false;
struct timespec to;
int err;
to.tv_sec = time(NULL) + sec;
to.tv_nsec = 0;
//上鎖
pthread_mutex_lock(&managePthread.g_pthread_mutex[thread_num]);
//超時(shí)sec秒阻塞等待，類似select
err = pthread_cond_timedwait(&managePthread.g_pthread_cond[thread_num], &managePthread.g_pthread_mutex[thread_num], &to);
if(err == ETIMEDOUT)
{
pthread_mutex_unlock(&managePthread.g_pthread_mutex[thread_num]);
return false;
}
//獲取線程信息
if(managePthread.g_pthread_info[thread_num] == WRITE_FLAG)
{
managePthread.g_pthread_info[thread_num] = READ_FLAG;
memcpy((PTHREAD_BUF *)rbuf, (PTHREAD_BUF *)&managePthread.g_pthread_buf[thread_num], sizeof(PTHREAD_BUF));
b_valid = true;
}
//解鎖
pthread_mutex_unlock(&managePthread.g_pthread_mutex[thread_num]);
return b_valid;
}
//阻塞讀取線程信息
bool ManagePthread_ReadSignal(PTHREAD_BUF *rbuf, PTHREAD_ID thread_num, bool wait)
{
bool b_valid = false;
pthread_mutex_lock(&managePthread.g_pthread_mutex[thread_num]);
if(wait == true)
pthread_cond_wait(&managePthread.g_pthread_cond[thread_num], &managePthread.g_pthread_mutex[thread_num]);
if(managePthread.g_pthread_info[thread_num] == WRITE_FLAG)
{
managePthread.g_pthread_info[thread_num] = READ_FLAG;
memcpy((PTHREAD_BUF *)rbuf, (PTHREAD_BUF *)&managePthread.g_pthread_buf[thread_num], sizeof(PTHREAD_BUF));
b_valid = true;
}
pthread_mutex_unlock(&managePthread.g_pthread_mutex[thread_num]);
return b_valid;
}
//激活/發(fā)送線程信息
bool ManagePthread_SendSignal(PTHREAD_BUF *sbuf, PTHREAD_ID thread_num)
{
bool b_valid = false;
pthread_mutex_lock(&managePthread.g_pthread_mutex[thread_num]);
managePthread.g_pthread_info[thread_num] = WRITE_FLAG;
if(sbuf)
{
memcpy((PTHREAD_BUF *)&managePthread.g_pthread_buf[thread_num], (PTHREAD_BUF *)sbuf, sizeof(PTHREAD_BUF));
}
pthread_mutex_unlock(&managePthread.g_pthread_mutex[thread_num]);
pthread_cond_signal(&managePthread.g_pthread_cond[thread_num]);
b_valid = true;
return b_valid;
}
//廣播
bool ManagePthread_BroadcastSignal(PTHREAD_BUF *sbuf, PTHREAD_ID thread_num)
{
bool b_valid = false;
pthread_mutex_lock(&managePthread.g_pthread_mutex[thread_num]);
managePthread.g_pthread_info[thread_num] = WRITE_FLAG;
memcpy((PTHREAD_BUF *)&managePthread.g_pthread_buf[thread_num], (PTHREAD_BUF *)sbuf, sizeof(PTHREAD_BUF));
pthread_mutex_unlock(&managePthread.g_pthread_mutex[thread_num]);
pthread_cond_broadcast(&managePthread.g_pthread_cond[thread_num]);
b_valid = true;
return b_valid;
}
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