linux|进程间通信如何加锁

进程间通信有一种[共享内存]方式，大家有没有想过，这种通信方式中如何解决数据竞争问题？我们可能自然而然的就会想到用锁。但我们平时使用的锁都是用于解决线程间数据竞争问题，貌似没有看到过它用在进程中，那怎么办？

关于进程间的通信方式估计大多数人都知道，这也是常见的面试八股文之一。

个人认为这种面试题没什么意义，无非就是答几个关键词而已，更深入的可能面试官和面试者都不太了解。

关于进程间通信方式我之前在【这篇文章】中有过介绍，感兴趣的可以移步去看哈。

进程间通信有一种[共享内存]方式，大家有没有想过，这种通信方式中如何解决数据竞争问题?

我们可能自然而然的就会想到用锁。但我们平时使用的锁都是用于解决线程间数据竞争问题，貌似没有看到过它用在进程中，那怎么办?

我找到了两种方法，信号量和互斥锁。

直接给大家贴代码吧，首先是信号量方式：

代码中的MEOW_DEFER，它内部的函数会在生命周期结束后触发。它的核心函数其实就是下面这四个：

具体含义大家应该看名字就知道，这里的重点就是sem_init中的pshared参数，该参数为1表示可在进程间共享，为0表示只在进程内部共享。

第二种方式是使用锁，即pthread_mutex_t，可是pthread_mutex不是用作线程间数据竞争的吗，怎么能用在进程间呢?

可以给它配置一个属性，示例代码如下：

它的默认属性是进程内私有，但是如果给它配置成PTHREAD_PROCESS_SHARED，它就可以用在进程间通信中。

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Linux进程间通信-信号量、消息队列和共享内存

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完整代码如下：

我想这两种方式应该可以满足我们日常开发过程中的大多数需求。

锁的方式介绍完之后，可能很多朋友自然就会想到原子变量，这块我也搜索了一下。但是也不太确定C++标准中的atomic是否在进程间通信中有作用，不过看样子boost中的atomic是可以用在进程间通信中的。

其实在研究这个问题的过程中，还找到了一些很多解决办法，包括：

Disabling Interrupts

Lock Variables

Strict Alternation

Peterson's Solution

The TSL Instruction

Sleep and Wakeup

Semaphores

Mutexes

Monitors

Message Passing

Barriers

这里就不过多介绍啦，大家感兴趣的可以自行查阅资料哈。

朋友你好：希望能帮到你。互相学习。

线程的最大特点是资源的共享性，但资源共享中的同步问题是多线程编程的难点。linux下提供了多种方式来处理线程同步，最常用的是互斥锁、条件变量和信号量。

1）互斥锁（mutex）

通过锁机制实现线程间的同步。同一时刻只允许一个线程执行一个关键部分的代码。

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)先初始化锁init()或静态赋值pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIER

attr_t有:

PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP:其余线程等待队列

PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP:嵌套锁,允许线程多次加锁,不同线程,解锁后重新竞争

PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP:检错,与一同,线程请求已用锁,返回EDEADLK

PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP:适应锁,解锁后重新竞争

(2)加锁,lock,trylock,lock阻塞等待锁,trylock立即返回EBUSY

(3)解锁,unlock需满足是加锁状态,且由加锁线程解锁

(4)清除锁,destroy(此时锁必需unlock,否则返回EBUSY,//Linux下互斥锁不占用内存资源

示例代码

#include <cstdio>

#include <cstdlib>

#include <unistd.h>

#include <pthread.h>

#include "iostream"

using namespace std

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

int tmp

void* thread(void *arg)

{

cout <<"thread id is " <<pthread_self() <<endl

pthread_mutex_lock(&mutex)

tmp = 12

cout <<"Now a is " <<tmp <<endl

pthread_mutex_unlock(&mutex)

return NULL

}

int main()

{

pthread_t id

cout <<"main thread id is " <<pthread_self() <<endl

tmp = 3

cout <<"In main func tmp = " <<tmp <<endl

if (!pthread_create(&id, NULL, thread, NULL))

{

cout <<"Create thread success!" <<endl

}

else

{

cout <<"Create thread failed!" <<endl

}

pthread_join(id, NULL)

pthread_mutex_destroy(&mutex)

return 0

}

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

说明：pthread库不是Linux系统默认的库，连接时需要使用静态库libpthread.a，所以在使用pthread_create()创建线程，以及调用pthread_atfork()函数建立fork处理程序时，需要链接该库。在编译中要加 -lpthread参数。

2）条件变量（cond）

利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制。条件变量上的基本操作有：触发条件(当条件变为 true 时)；等待条件，挂起线程直到其他线程触发条件。

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) //解除所有线程的阻塞

(1)初始化.init()或者pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIER（前者为动态初始化，后者为静态初始化）属性置为NULL

(2)等待条件成立.pthread_wait,pthread_timewait.wait()释放锁,并阻塞等待条件变量为真，timewait()设置等待时间,仍未signal,返回ETIMEOUT(加锁保证只有一个线程wait)

(3)激活条件变量:pthread_cond_signal,pthread_cond_broadcast(激活所有等待线程)

(4)清除条件变量:destroy无线程等待,否则返回EBUSY

对于

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的锁定区域内使用。

如果要正确的使用pthread_mutex_lock与pthread_mutex_unlock，请参考

pthread_cleanup_push和pthread_cleanup_pop宏，它能够在线程被cancel的时候正确的释放mutex！

另外，posix1标准说，pthread_cond_signal与pthread_cond_broadcast无需考虑调用线程是否是mutex的拥有者，也就是说，可以在lock与unlock以外的区域调用。如果我们对调用行为不关心，那么请在lock区域之外调用吧。

说明：

(1)pthread_cond_wait 自动解锁互斥量(如同执行了pthread_unlock_mutex)，并等待条件变量触发。这时线程挂起，不占用CPU时间，直到条件变量被触发（变量为ture）。在调用 pthread_cond_wait之前，应用程序必须加锁互斥量。pthread_cond_wait函数返回前，自动重新对互斥量加锁(如同执行了pthread_lock_mutex)。

(2)互斥量的解锁和在条件变量上挂起都是自动进行的。因此，在条件变量被触发前，如果所有的线程都要对互斥量加锁，这种机制可保证在线程加锁互斥量和进入等待条件变量期间，条件变量不被触发。条件变量要和互斥量相联结，以避免出现条件竞争——个线程预备等待一个条件变量，当它在真正进入等待之前，另一个线程恰好触发了该条件（条件满足信号有可能在测试条件和调用pthread_cond_wait函数（block）之间被发出，从而造成无限制的等待）。

(3)pthread_cond_timedwait 和 pthread_cond_wait 一样，自动解锁互斥量及等待条件变量，但它还限定了等待时间。如果在abstime指定的时间内cond未触发，互斥量mutex被重新加锁，且pthread_cond_timedwait返回错误 ETIMEDOUT。abstime 参数指定一个绝对时间，时间原点与 time 和 gettimeofday 相同：abstime = 0 表示 1970年1月1日00:00:00 GMT。

(4)pthread_cond_destroy 销毁一个条件变量，释放它拥有的资源。进入 pthread_cond_destroy 之前，必须没有在该条件变量上等待的线程。

(5)条件变量函数不是异步信号安全的，不应当在信号处理程序中进行调用。特别要注意，如果在信号处理程序中调用 pthread_cond_signal 或pthread_cond_boardcast 函数，可能导致调用线程死锁。

示例程序1

#include <stdio.h>

#include <pthread.h>

#include "stdlib.h"

#include "unistd.h"

pthread_mutex_t mutex

pthread_cond_t cond

void hander(void *arg)

{

free(arg)

(void)pthread_mutex_unlock(&mutex)

}

void *thread1(void *arg)

{

pthread_cleanup_push(hander, &mutex)

while(1)

{

printf("thread1 is running\n")

pthread_mutex_lock(&mutex)

pthread_cond_wait(&cond,&mutex)

printf("thread1 applied the condition\n")

pthread_mutex_unlock(&mutex)

sleep(4)

}

pthread_cleanup_pop(0)

}

void *thread2(void *arg)

{

while(1)

{

printf("thread2 is running\n")

pthread_mutex_lock(&mutex)

pthread_cond_wait(&cond,&mutex)

printf("thread2 applied the condition\n")

pthread_mutex_unlock(&mutex)

sleep(1)

}

}

int main()

{

pthread_t thid1,thid2

printf("condition variable study!\n")

pthread_mutex_init(&mutex,NULL)

pthread_cond_init(&cond,NULL)

pthread_create(&thid1,NULL,thread1,NULL)

pthread_create(&thid2,NULL,thread2,NULL)

sleep(1)

do

{

pthread_cond_signal(&cond)

}while(1)

sleep(20)

pthread_exit(0)

return 0

}

示例程序2：

#include <pthread.h>

#include <unistd.h>

#include "stdio.h"

#include "stdlib.h"

static pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

static pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER

struct node

{

int n_number

struct node *n_next

} *head = NULL

/*[thread_func]*/

static void cleanup_handler(void *arg)

{

printf("Cleanup handler of second thread./n")

free(arg)

(void)pthread_mutex_unlock(&mtx)

}

static void *thread_func(void *arg)

{

struct node *p = NULL

pthread_cleanup_push(cleanup_handler, p)

while (1)

{

//这个mutex主要是用来保证pthread_cond_wait的并发性

pthread_mutex_lock(&mtx)

while (head == NULL)

{

//这个while要特别说明一下，单个pthread_cond_wait功能很完善，为何

//这里要有一个while (head == NULL)呢？因为pthread_cond_wait里的线

//程可能会被意外唤醒，如果这个时候head != NULL，则不是我们想要的情况。

//这个时候，应该让线程继续进入pthread_cond_wait

// pthread_cond_wait会先解除之前的pthread_mutex_lock锁定的mtx，

//然后阻塞在等待对列里休眠，直到再次被唤醒（大多数情况下是等待的条件成立

//而被唤醒，唤醒后，该进程会先锁定先pthread_mutex_lock(&mtx)，再读取资源

//用这个流程是比较清楚的/*block-->unlock-->wait() return-->lock*/

pthread_cond_wait(&cond, &mtx)

p = head

head = head->n_next

printf("Got %d from front of queue/n", p->n_number)

free(p)

}

pthread_mutex_unlock(&mtx)//临界区数据操作完毕，释放互斥锁

}

pthread_cleanup_pop(0)

return 0

}

int main(void)

{

pthread_t tid

int i

struct node *p

//子线程会一直等待资源，类似生产者和消费者，但是这里的消费者可以是多个消费者，而

//不仅仅支持普通的单个消费者，这个模型虽然简单，但是很强大

pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL)

sleep(1)

for (i = 0i <10i++)

{

p = (struct node*)malloc(sizeof(struct node))

p->n_number = i

pthread_mutex_lock(&mtx)//需要操作head这个临界资源，先加锁，

p->n_next = head

head = p

pthread_cond_signal(&cond)

pthread_mutex_unlock(&mtx)//解锁

sleep(1)

}

printf("thread 1 wanna end the line.So cancel thread 2./n")

//关于pthread_cancel，有一点额外的说明，它是从外部终止子线程，子线程会在最近的取消点，退出

//线程，而在我们的代码里，最近的取消点肯定就是pthread_cond_wait()了。

pthread_cancel(tid)

pthread_join(tid, NULL)

printf("All done -- exiting/n")

return 0

}

3）信号量

如同进程一样，线程也可以通过信号量来实现通信，虽然是轻量级的。

信号量函数的名字都以"sem_"打头。线程使用的基本信号量函数有四个。

#include <semaphore.h>

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

这是对由sem指定的信号量进行初始化，设置好它的共享选项（linux 只支持为0，即表示它是当前进程的局部信号量），然后给它一个初始值VALUE。

两个原子操作函数：

int sem_wait(sem_t *sem)

int sem_post(sem_t *sem)

这两个函数都要用一个由sem_init调用初始化的信号量对象的指针做参数。

sem_post：给信号量的值加1；

sem_wait:给信号量减1；对一个值为0的信号量调用sem_wait,这个函数将会等待直到有其它线程使它不再是0为止。

int sem_destroy(sem_t *sem)

这个函数的作用是再我们用完信号量后都它进行清理。归还自己占有的一切资源。

示例代码：

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

#include <unistd.h>

#include <pthread.h>

#include <semaphore.h>

#include <errno.h>

#define return_if_fail(p) if((p) == 0){printf ("[%s]:func error!/n", __func__)return}

typedef struct _PrivInfo

{

sem_t s1

sem_t s2

time_t end_time

}PrivInfo

static void info_init (PrivInfo* thiz)

static void info_destroy (PrivInfo* thiz)

static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz)

static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz)

int main (int argc, char** argv)

{

pthread_t pt_1 = 0

pthread_t pt_2 = 0

int ret = 0

PrivInfo* thiz = NULL

thiz = (PrivInfo* )malloc (sizeof (PrivInfo))

if (thiz == NULL)

{

printf ("[%s]: Failed to malloc priv./n")

return -1

}

info_init (thiz)

ret = pthread_create (&pt_1, NULL, (void*)pthread_func_1, thiz)

if (ret != 0)

{

perror ("pthread_1_create:")

}

ret = pthread_create (&pt_2, NULL, (void*)pthread_func_2, thiz)

if (ret != 0)

{

perror ("pthread_2_create:")

}

pthread_join (pt_1, NULL)

pthread_join (pt_2, NULL)

info_destroy (thiz)

return 0

}

static void info_init (PrivInfo* thiz)

{

return_if_fail (thiz != NULL)

thiz->end_time = time(NULL) + 10

sem_init (&thiz->s1, 0, 1)

sem_init (&thiz->s2, 0, 0)

return

}

static void info_destroy (PrivInfo* thiz)

{

return_if_fail (thiz != NULL)

sem_destroy (&thiz->s1)

sem_destroy (&thiz->s2)

free (thiz)

thiz = NULL

return

}

static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz)

{

return_if_fail (thiz != NULL)

while (time(NULL) <thiz->end_time)

{

sem_wait (&thiz->s2)

printf ("pthread1: pthread1 get the lock./n")

sem_post (&thiz->s1)

printf ("pthread1: pthread1 unlock/n")

sleep (1)

}

return

}

static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz)

{

return_if_fail (thiz != NULL)

while (time (NULL) <thiz->end_time)

{

sem_wait (&thiz->s1)

printf ("pthread2: pthread2 get the unlock./n")

sem_post (&thiz->s2)

printf ("pthread2: pthread2 unlock./n")

sleep (1)

}

return

}

通 过执行结果后，可以看出，会先执行线程二的函数，然后再执行线程一的函数。它们两就实现了同步

线程之间的同步和互斥解决的问题是线程对共同资源进行访问。Posix有两种方式：

信号量和互斥锁；信号量适用同时可用的资源为多个的情况；互斥锁适用于线程可用的资源只有一个的情况

1、互斥锁：互斥锁是用加锁的方式来控制对公共资源的原子操作(一旦开始进行就不会被打断的操作)

互斥锁只有上锁和解锁两种状态。互斥锁可以看作是特殊意义的全局变量，因为在同一时刻只有一个线程能够对互斥锁进行操作；只有上锁的进程才可以对公共资源进行访问，其他进程只能等到该进程解锁才可以对公共资源进行操作。

互斥锁操作函数：

pthread_mutex_init()//初始化

pthread_mutex_lock()//上锁参数：pthread_mutex_t *mutex

pthread_mutex_trylock()//判断上锁 参数：pthread_mutex_t *mutex

pthread_mutex_unlock()//解锁参数：pthread_mutex_t *mutex

pthread_mutex_release()//消除互斥锁 参数：pthread_mutex_t *mutex

互斥锁分为快速互斥锁、递归互斥锁、检错互斥锁；在 init 的时候确定

int pthread_mutex_t(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutex_t mutexattr)

第一个参数：进行操作的锁

mutexattr：锁的类型，默认快速互斥锁（阻塞）123456789

2、信号量：信号量本质上是一个计数器，在操作系统做用于PV原子操作；

P操作使计数器－1；V操作使计数器+1.

在互斥操作中可以是使用一个信号量；在同步操作中需要使用多个信号量，并设置不同的初始值安排它们顺序执行

sem_init() // 初始化操作

sem_wait() // P操作，计数器减一；阻塞参数：sem_t *sem

sem_trywait() // P操作，计数器减一；非阻塞 参数：sem_t *sem

sem_post()// V操作，计数器加一 参数：sem_t *sem

sem_destroy() // 销毁信号量参数：sem_t *sem

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

pshared用于指定多少个进程共享；value初始值

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