Linux多进程和线程同步的几种方式

Linux 线程同步的三种方法

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。

一、互斥锁(mutex)

通过锁机制实现线程间的同步。

初始化锁。在Linux下，线程的互斥量数据类型是pthread_mutex_t。在使用前,要对它进行初始化。

静态分配：pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

动态分配：int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutex_attr_t *mutexattr)

加锁。对共享资源的访问，要对互斥量进行加锁，如果互斥量已经上了锁，调用线程会阻塞，直到互斥量被解锁。

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex *mutex)

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex)

解锁。在完成了对共享资源的访问后，要对互斥量进行解锁。

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex)

销毁锁。锁在是使用完成后，需要进行销毁以释放资源。

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex *mutex)

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#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

二、条件变量(cond)

互斥锁不同，条件变量是用来等待而不是用来上锁的。条件变量用来自动阻塞一个线程，直到某特殊情况发生为止。通常条件变量和互斥锁同时使用。条件变量分为两部分: 条件和变量。条件本身是由互斥量保护的。线程在改变条件状态前先要锁住互斥量。条件变量使我们可以睡眠等待某种条件出现。条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制，主要包括两个动作：一个线程等待"条件变量的条件成立"而挂起；另一个线程使"条件成立"（给出条件成立信号）。条件的检测是在互斥锁的保护下进行的。如果一个条件为假，一个线程自动阻塞，并释放等待状态改变的互斥锁。如果另一个线程改变了条件，它发信号给关联的条件变量，唤醒一个或多个等待它的线程，重新获得互斥锁，重新评价条件。如果两进程共享可读写的内存，条件变量可以被用来实现这两进程间的线程同步。

初始化条件变量。

静态态初始化，pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIER

动态初始化，int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr)

等待条件成立。释放锁,同时阻塞等待条件变量为真才行。timewait()设置等待时间,仍未signal,返回ETIMEOUT(加锁保证只有一个线程wait)

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)

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

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

清除条件变量。无线程等待,否则返回EBUSY

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond)

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#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

}

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#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

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

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

}

三、信号量(sem)

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。

信号量初始化。

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。

等待信号量。给信号量减1，然后等待直到信号量的值大于0。

int sem_wait(sem_t *sem)

释放信号量。信号量值加1。并通知其他等待线程。

int sem_post(sem_t *sem)

销毁信号量。我们用完信号量后都它进行清理。归还占有的一切资源。

int sem_destroy(sem_t *sem)

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#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

}

如何用P V 原语实现进程间的互斥与同步 如何用P V 原语实现进程间的互斥与同步2010-07-29 20：03 导读： PV 原语的含义 P 操作和V 操作是不可中断的程序段，称为原语。PV 原语及信号量的概念都是由荷兰科学家E.W.Dijkstra 提出的。信号量sem 是一整数，sem 大于等于零时代表可供并发进程使用的资源实体数，但sem 小于零时则表示正在等待使用临界区的进程数。 P 原语操作的动作是： (1)sem 减1； (2)若sem 减1 后仍大于或等于零，则进程继续执行； (3)若sem 减1 后小于零，则该进程被阻塞后进入与该信号相对应的队列中，然后转进程调度。 V 原语操作的动作是： (1)sem 加1； (2)若相加结果大于零，则进程继续执行； (3)若相加结果小于或等于零，则从该信号的等待队列中唤醒一等待进程，然后再返回原进程继续执行或转进程调度。 PV 操作对于每一个进程来说，都只能进行一次，而且必须成对使用。在PV 原语执行期间不允许有中断的发生。 P 原语：P 是荷兰语Proberen(测试)的首字母。为阻塞原语，负责把当前进程由运行状态转换为阻塞状态，直到另外一个进程唤醒它。操作为：申请一个空闲资源(把信号量减1)，若成功，则退出；若失败，则该进程被阻塞； V 原语：V 是荷兰语Verhogen(增加)的首字母。为唤醒原语，负责把一个被阻塞的进程唤醒，它有一个参数表，存放着等待被唤醒的进程信息。操作为：释放一个被占用的资源(把信号量加1)，如果发现有被阻塞的进程，则选择一个唤醒之。 具体PV 原语对信号量的操作可以分为三种情况： 1)把信号量视为一个加锁标志位，实现对一个共享变量的互斥访问。 实现过程： P(mutex)；//mutex 的初始值为1 访问该共享数据； V(mutex)； 非临界区 2)把信号量视为是某种类型的共享资源的剩余个数，实现对一类共享资源的访问。 实现过程： P(resource)；//resource 的初始值为该资源的个数N 使用该资源； V(resource)；非临界区 3)把信号量作为进程间的同步工具 实现过程： 临界区C1； P(S)； V(S)； 临界区C2； 用PV 原语实现进程的互斥 由于用于互斥的信号量sem 与所有的并发进程有关，所以称之为公有信号量。公有信号量的值反映了公有资源的数量。只要把临界区置于P(sem)和V (sem)之间，即可实现进程间的互斥。就象火车中的每节车厢只有一个卫生间，该车厢的所有旅客共享这个公有资源：卫生间，所以旅客间必须互斥进入卫生 间，只要把卫生间放在P(sem)和V(sem)之间，就可以到达互斥的效果。以下例子说明进程的互斥实现。 例1 生产围棋的工人不小心把相等数量的黑子和白子混装载一个箱子里，现要用自动分拣系统把黑子和白子分开，该系统由两个并发执行的进程组成，功能如下： (1)进程A 专门拣黑子，进程B 专门拣白子； (2)每个进程每次只拣一个子，当一个进程在拣子时不允许另一个进程去拣子； 分析： 第一步：确定进程间的关系。由功能(2)可知进程之间是互斥的关系。 第二步：确定信号量及其值。由于进程A 和进程B 要互斥进入箱子去拣棋子，箱子是两个进程的公有资源，所以设置一个信号量s，其值取决于公有资源的数目，由于箱子只有一个，s 的初值就设为1。 实现： begin s：semaphore； s：=1； cobegin process A begin L1： P(s)； 拣黑子； V(s)； goto L1； end； process B begin L2：P(s)； 拣白子； V(s)； goto L2； end； coend； end； 判断进程间是否互斥，关键是看进程间是否共享某一公有资源，一个公有资源与一个信号量相对应。确定信号量的值是一个关键点，它代表了可用资源实体数。如下实例： 例2 某车站售票厅，任何时刻最多可容纳20 名购票者进入，当售票厅中少于 20 名购票者时，厅外的购票者可立即进入，否则需要在外面等待。每个购票者可看成一个进程。 分析：第一步：确定进程间的关系。售票厅是各进程共享的公有资源，当售票厅中多于20 名购票者时，厅外的购票者需要在外面等待。所以进程间是互斥的关 系。第二步：确定信号量及其值。只有一个公有资源：售票厅，所以设置一个信号量s。售票厅最多容纳20 个进程，即可用资源实体数为20，s 的初值就设为 20。 实现： begin s：semaphore； s：=20； cobegin process PI(I=1,2,…) begin P(s)； 进入售票厅； 购票； 退出； V(s)； end； coend 当购票者进入售票厅前要执行P(s)操作，执行后若s 大于或等于零，说明售票厅的人数还未满可进入。执行后若s 小于零，则说明售票厅的人数已满不能进入。这个实现中同时最多允许20 个进程进入售票厅购票，其余进程只能等待。 用PV 原语实现进程的同步 与进程互斥不同，进程同步时的信号量只与制约进程及被制约进程有关而不是与整组并发进程有关，所以称该信号量为私有信号量。利用PV 原语实现进程同步的 方法是：首先判断进程间的关系为同步的，且为各并发进程设置私有信号量，然后为私有信号量赋初值，最后利用PV 原语和私有信号量规定各进程的执行顺序。下 面我们将例1 增添一个条件，使其成为进程间是同步的。 例3 在例1 的基础之上再添加一个功能： (3)当一个进程拣了一个棋子(黑子或白子)以后，必让另一个进程拣一个棋子(黑子或白子)。 分析： 第一步：确定进程间的关系。由功能(1)(2)(3)可知，进程间的关系为同步关系。第二步：确定信号量及其值。进程A 和B 共享箱子这个公有 资源，但规定两个进程必须轮流去取不同色的棋子，因而相互间要互通消息。对于进程A 可设置一个私有信号量s1，该私有信号量用于判断进程A 是否能去拣黑 子，初值为1。对于进程B 同样设置一个私有信号量s2，该私有信号量用于判断进程B 是否能去拣白子，初值为0。当然你也可以设置s1 初值为0，s2 初值为 1。 实现： begin s1,s2：semaphore； s1：=1；s2：=0； cobegin process A begin L1：P(s1)； 拣黑子； V(s2)； goto L1； end； process B begin L2：P(s2)； 拣白子； V(s1)； goto L2； end； coend； end； 另外一个问题就是P 原语是不是一定在V 原语的前面?回答是否定的。下面看一个例子。 例4 设在公共汽车上，司机和售票员的活动分别是：司机：启动车辆，正常行车，到站停车。售票员：上乘客，关车门，售票，开车门，下乘客。用PV 操作对其控制。 分析： 第一步：确定进程间的关系。司机到站停车后，售票员方可工作。同样，售票员关车门后，司机才能工作。所以司机与售票员之间是一种同步关系。 第二步：确定信号量及其值。由于司机与售票员之间要互通消息，司机进程设置一个私有信号量run，用于判断司机能否进行工作，初值为0。售票员进程设置一个私有信号量stop，用于判断是否停车，售票员是否能够开车门，初值为0。 实现： begin stop,run：semaphore stop：=0；run：=0； cobegin driver：begin L1：P(run)； 启动车辆； 正常行车； 到站停车； V(stop)； goto L1； end； conductor：begin L2：上乘客； 关车门； V(run)； 售票； P(stop)； 开车门； 下乘客； goto L2； end； coend； end； 用PV 操作还可以实现进程同步与互斥的混合问题，典型的如：多个生产者和多个消费者共享容量为n 的缓存区。这个例子在很多书中都有介绍，在这里就不说了。 本文转自

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