線程同步

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[TOC] 1. 線程同步概述 線程同步定義 線程同步，指的是控制多線程間的相對執行順序，從而線上程間正確、有序地共用數據，以下為線程同步常見使用場合。 多線程執行的任務在順序上存在依賴關係 線程間共用數據只能同時被一個線程使用 線程同步方法 在實際項目中，經常使用的線程同步方法主要分為三種： 互斥 ...


目錄

1. 線程同步概述

線程同步定義

線程同步，指的是控制多線程間的相對執行順序，從而線上程間正確、有序地共用數據，以下為線程同步常見使用場合。

  • 多線程執行的任務在順序上存在依賴關係
  • 線程間共用數據只能同時被一個線程使用

線程同步方法

在實際項目中，經常使用的線程同步方法主要分為三種：

  • 互斥鎖
  • 條件變數
  • Posix信號量（包括有名信號量和無名信號量）

本節內容只介紹互斥鎖和條件變數，Posix信號量後續在Posix IPC專題中介紹。

2. 互斥鎖

互斥鎖概念

互斥鎖用於確保同一時間只有一個線程訪問共用數據，使用方法為：

  • 加鎖
  • 訪問共用數據
  • 解鎖

對互斥鎖加鎖後，任何其他試圖再次對其加鎖的線程都會被阻塞，直到當前線程釋放該互斥鎖，解鎖時所有阻塞線程都會變成可運行狀態，但究竟哪個先運行，這一點是不確定的。

互斥鎖基本API

初始化與銷毀

互斥鎖是用pthread_mutex_t數據類型表示的，在使用互斥鎖之前，需要先進行初始化，初始化方法有兩種：

  • 設置為常量PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER，只適用於靜態分配的互斥鎖
  • 調用pthread_mutex_init函數，靜態分配和動態分配的互斥鎖都可以

互斥鎖使用完以後，可以調用pthread_mutex_destroy進行銷毀，尤其是對於動態分配的互斥鎖，在釋放記憶體前，調用pthread_mutex_destroy是必須的。

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

//兩個函數的返回值：成功返回0，失敗返回錯誤編號
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

其中，pthread_mutex_init的第二個參數attr用於設置互斥鎖的屬性，如果要使用預設屬性，只需把attr設為NULL。

上鎖與解鎖

//兩個函數的返回值：成功返回0，失敗返回錯誤編號
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

對互斥鎖上鎖，需要調用pthread_mutex_lock，如果互斥鎖已經上鎖，調用線程將阻塞到該互斥鎖被釋放。
對互斥鎖解鎖，需要調用pthread_mutex_unlock。

兩個特殊的上鎖函數

嘗試上鎖

//成功返回0，失敗返回錯誤編號
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

如果不希望調用線程阻塞，可以使用pthread_mutex_trylock嘗試上鎖：

  • 若mutex未上鎖，pthread_mutex_trylock將加鎖成功，返回0
  • 若mutex已上鎖，pthread_mutex_trylock會加鎖失敗，返回EBUSY

限時上鎖

//成功返回0，失敗返回錯誤編號
int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *time);

pthread_mutex_timedlock是一個可以設置阻塞時間的上鎖函數：

  • 當mutex已上鎖時，調用線程會阻塞設定的時間
  • 當達到設定時間時，pthread_mutex_timedlock將加鎖失敗並解除阻塞，返回ETIMEDOUT

關於第二個參數time，有兩點需要註意：

  • time表示等待的絕對時間，需要將其設為當前時間 + 等待時間
  • time是由struct timespec指定的，它由秒和納秒來描述時間

示例代碼

/*
 * 測試使用上述4個加鎖函數
*/

#include <pthread.h>
#include <time.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>

pthread_mutex_t mutex1;
pthread_mutex_t mutex2;
pthread_mutex_t mutex3;

void *thread1_start(void *arg)
{
    pthread_mutex_lock(&mutex1);
    printf("thread1 has locked mutex1\n");
    sleep(2); //保證thread2執行時mutex1還未解鎖
    pthread_mutex_unlock(&mutex1);
}

void *thread2_start(void *arg)
{
    if (pthread_mutex_trylock(&mutex2) == 0)
        printf("thread2 trylock mutex2 sucess\n");

    if (pthread_mutex_trylock(&mutex1) == EBUSY)
        printf("thread2 trylock mutex1 failed\n");
          
    pthread_mutex_unlock(&mutex2);
}

void *thread3_start(void *arg)
{
    struct timespec time;
    struct tm *tmp_time;
    char s[64];
    int err;
    
    pthread_mutex_lock(&mutex3);
    printf("thread3 has locked mutex3\n");
    
    /*獲取當前時間，並轉化為本地時間列印*/
    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &time);
    tmp_time = localtime(&time.tv_sec);
    strftime(s, sizeof(s), "%r", tmp_time);
    printf("current time is %s\n", s);
    
    /*設置time = 當前時間 + 等待時間10S*/
    time.tv_sec = time.tv_sec + 10;
    
    /*mutex3已上鎖，這裡會阻塞*/
    if (pthread_mutex_timedlock(&mutex3, &time) == ETIMEDOUT)
        printf("pthread_mutex_timedlock mutex3 timeout\n");
    
    /*再次獲取當前時間，並轉化為本地時間列印*/
    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &time);
    tmp_time = localtime(&time.tv_sec);
    strftime(s, sizeof(s), "%r", tmp_time);
    printf("the time is now %s\n", s);  
        
    pthread_mutex_unlock(&mutex3);
}

int main()
{     
    pthread_t tid1;
    pthread_t tid2;
    pthread_t tid3;
    
    /*測試pthread_mutex_lock和pthread_mutex_trylock*/
    pthread_mutex_init(&mutex1, NULL);
    pthread_mutex_init(&mutex2, NULL);
       
    pthread_create(&tid1, NULL, thread1_start, NULL);   
    pthread_create(&tid2, NULL, thread2_start, NULL);
    
    if (pthread_join(tid1, NULL) == 0)
    {
        pthread_mutex_destroy(&mutex1);
    }
    
    if (pthread_join(tid2, NULL) == 0)
    {
        pthread_mutex_destroy(&mutex2);
    }    
    
    /*測試pthread_mutex_timedlock*/
    pthread_mutex_init(&mutex3, NULL);
    pthread_create(&tid3, NULL, thread3_start, NULL);
      
    if (pthread_join(tid3, NULL) == 0)
    {
        pthread_mutex_destroy(&mutex3);
    }      
    
    return 0;
}

3. 避免死鎖

線程的死鎖概念

線程間死鎖，指的是線程間相互等待臨界資源而造成彼此無法繼續執行的現象。

產生死鎖的四個必要條件

  • 互斥條件：資源同時只能被一個線程使用，此時若有其他線程請求該資源，則請求線程必須等待
  • 不可剝奪條件：線程獲得的資源在未使用完畢前，不能被其他線程搶奪，只能由獲得該資源的線程主動釋放
  • 請求與保持條件：線程已經至少得到了一個資源，但又提出了新的資源請求，而新的資源已被其他線程占有，此時請求線程被阻塞，但對自己已獲得的資源保持不放
  • 迴圈等待條件：存在一個資源等待環，環中每一個線程都占有下一個線程所需的至少一個資源

直觀上看，迴圈等待條件似乎和死鎖的定義一樣，其實不然，因為死鎖定義中的要求更為嚴格：

  • 迴圈等待條件要求P(i+1)需要的資源，至少有一個來自P(i)即可
  • 死鎖定義要求P(i+1)需要的資源，由且僅由P(i)提供

如何避免死鎖

  • 所有線程以相同順序加鎖
  • 給所有的臨界資源分配一個唯一的序號，對應的線程鎖也分配同樣的序號，系統中的所有線程按照嚴格遞增的次序請求資源
  • 使用pthread_mutex_trylock嘗試加鎖，若失敗就放棄上鎖，同時釋放已占有的鎖
  • 使用pthread_mutex_timedlock限時加鎖，若超時就放棄上鎖，同時釋放已占有的鎖

4. 條件變數

條件變數概念

  • 條件變數是線程另一種可用的同步機制，它給多線程提供了一個回合的場所
  • 條件變數本身需要由互斥鎖保護，線程在改變條件之前必須先上鎖，其他線程在獲得互斥鎖之前不會知道條件發生了改變
  • 條件變數和互斥鎖一起使用，可以使線程以無競爭的方式等待特定條件的發生

條件變數基本API

初始化與銷毀

條件變數是用pthread_cond_t數據類型表示的，和互斥鎖類似，條件變數的初始化方法也有兩種：

  • 設置為常量PTHREAD_COND_INITIALIZER，只適用於靜態分配的條件變數
  • 調用pthread_cond_init函數，適用於靜態分配和動態分配的條件變數

條件變數使用完以後，可以調用pthread_cond_destroy進行銷毀，同樣的，如果是動態分配的條件變數，在釋放記憶體前，該操作也是必須的。

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

//兩個函數的返回值：成功返回0，失敗返回錯誤編號
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

其中，pthread_cond_init的第二個參數attr用於設置條件變數的屬性，如果要使用預設屬性，只需把attr設為NULL。

等待條件滿足

//兩個函數的返回值：成功返回0，失敗返回錯誤編號
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 *timeout);

可以調用pthread_cond_wait函數等待條件滿足，使用步驟如下，傳遞給函數的互斥鎖對條件進行保護，在條件滿足之前，調用線程將一直阻塞。

  • 調用線程將鎖住的互斥量傳給pthread_cond_wait
  • pthread_cond_wait自動把調用線程放到等待條件的線程列表上，然後對互斥鎖解鎖
  • 當條件滿足，pthread_cond_wait返回時，互斥鎖再次被鎖住
  • pthread_cond_wait返回後，調用線程再對互斥鎖解鎖

pthread_cond_timedwait是一個限時等待條件滿足的函數，如果發生超時時條件還沒滿足，pthread_cond_timedwait將重新對互斥鎖上鎖，然後返回ETIMEDOUT錯誤。

註意：當條件滿足從pthread_cond_wait和pthread_cond_timedwait返回時，調用線程必須重新計算條件，因為另一個線程可能已經在運行並改變了條件。

給線程發信號

有兩個函數可以用於通知線程條件已經滿足：

  • pthread_cond_signal至少能喚醒一個等待該條件的線程
  • pthread_cond_broadcast可以喚醒等待該條件的所有線程
//兩個函數的返回值：成功返回0，失敗返回錯誤編號
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

在調用上面兩個函數時，我們說這是在給線程發信號，註意，一定要先獲取互斥鎖，再改變條件，然後給線程發信號，最後再對互斥鎖解鎖。

示例代碼

/*
 * 結合使用條件變數和互斥鎖進行線程同步
*/

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

static pthread_cond_t  cond;
static pthread_mutex_t mutex;
static int             cond_value;
static int             quit;

void *thread_signal(void *arg)
{
    while (!quit)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        cond_value++;                //改變條件，使條件滿足
        pthread_cond_signal(&cond);  //給線程發信號 
        printf("signal send, cond_value: %d\n", cond_value);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(1);
    }    
}

void *thread_wait(void *arg)
{
    while (!quit)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        
        /*通過while (cond is true)來保證從pthread_cond_wait成功返回時，調用線程會重新檢查條件*/
        while (cond_value == 0)
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
            
        cond_value--;
        printf("signal recv, cond_value: %d\n", cond_value);
        
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(1);
    } 
}

int main()
{     
    pthread_t tid1;
    pthread_t tid2;
    
    pthread_cond_init(&cond, NULL);
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
       
    pthread_create(&tid1, NULL, thread_signal, NULL);   
    pthread_create(&tid2, NULL, thread_wait, NULL);
    
    sleep(5);
    quit = 1;
    
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);
    
    pthread_cond_destroy(&cond);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
      
    return 0;
}


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