三种专门用于线程同步的机制:POSIX信号量,互斥量和条件变量.
在Linux上信号量API有两组,一组是System V IPC信号量,即PV操作,另外就是POSIX信号量,POSIX信号量的名字都是以sem_开头.
phshared参数指定信号量的类型,若其值为0,就表示这个信号量是当前进程的局部信号量,否则该信号量可以在多个进程之间共享.value值指定信号量的初始值,一般与下面的sem_wait函数相对应.
其中比较重要的函数sem_wait函数会以原子操作的方式将信号量的值减一,如果信号量的值为零,则sem_wait将会阻塞,信号量的值可以在sem_init函数中的value初始化sem_trywait函数是sem_wait的非阻塞版本sem_post函数将以原子的操作对信号量加一,当信号量的值大于0时,其他正在调用sem_wait等待信号量的线程将被唤醒.
这些函数成功时返回0,失败则返回-1并设置errno.
生产者消费者模型:
生产者对应一个信号量:sem_t producer
消费者对应一个信号量:sem_t customer
sem_init(&producer,2)----生产者拥有资源,可以工作
sem_init(&customer,0)----消费者没有资源,阻塞
在访问公共资源前对互斥量设置（加锁），确保同一时间只有一个线程访问数据，在访问完成后再释放（解锁）互斥量.
互斥锁的运行方式:串行访问共享资源
信号量的运行方式:并行访问共享资源
互斥量用pthread_mutex_t数据类型表示，在使用互斥量之前，必须使用pthread_mutex_init函数对它进行初始化，注意，使用完毕后需调用pthread_mutex_destroy.
pthread_mutex_init用于初始化互斥锁，mutexattr用于指定互斥锁的属性，若为NULL，则表示默认属性。除了用这个函数初始化互斥所外，还可以用如下方式初始化：pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER。
pthread_mutex_destroy用于销毁互斥锁，以释放占用的内核资源，销毁一个已经加锁的互斥锁将导致不可预期的后果。
pthread_mutex_lock以原子操作给一个互斥锁加锁。如果目标互斥锁已经被加锁，则pthread_mutex_lock则被阻塞，直到该互斥锁占有者把它给解锁.
pthread_mutex_trylock和pthread_mutex_lock类似，不过它始终立即返回，而不论被操作的互斥锁是否加锁，是pthread_mutex_lock的非阻塞版本.当目标互斥锁未被加锁时，pthread_mutex_trylock进行加锁操作；否则将返回EBUSY错误码。注意：这里讨论的pthread_mutex_lock和pthread_mutex_trylock是针对普通锁而言的，对于其他类型的锁，这两个加锁函数会有不同的行为.
pthread_mutex_unlock以原子操作方式给一个互斥锁进行解锁操作。如果此时有其他线程正在等待这个互斥锁，则这些线程中的一个将获得它.
三个打印机轮流打印:
输出结果:
如果说互斥锁是用于同步线程对共享数据的访问的话,那么条件变量就是用于在线程之间同步共享数据的值.条件变量提供了一种线程之间通信的机制:当某个共享数据达到某个值时,唤醒等待这个共享数据的线程.
条件变量会在条件不满足的情况下阻塞线程.且条件变量和互斥量一起使用，允许线程以无竞争的方式等待特定的条件发生.
其中pthread_cond_broadcast函数以广播的形式唤醒所有等待目标条件变量的线程,pthread_cond_signal函数用于唤醒一个等待目标条件变量线程.但有时候我们可能需要唤醒一个固定的线程,可以通过间接的方法实现:定义一个能够唯一标识目标线程的全局变量,在唤醒等待条件变量的线程前先设置该变量为目标线程,然后采用广播的方式唤醒所有等待的线程,这些线程被唤醒之后都检查该变量以判断是否是自己.
采用条件变量+互斥锁实现生产者消费者模型:
运行结果:
阻塞队列+生产者消费者
运行结果:
这个问题需要的知识主要包括：
1 多进程间进行通信；
2 使用同步信号量（semaphore）和互斥信号量（mutex）进行数据保护。
参考代码如下，可以参照注释辅助理解：
#include <stdio.h>#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#define N 2 // 消费者或者生产者的数目
#define M 10 // 缓冲数目
int in = 0 // 生产者放置产品的位置
int out = 0 // 消费者取产品的位置
int buff[M] = {0} // 缓冲初始化为0， 开始时没有产品
sem_t empty_sem // 同步信号量， 当满了时阻止生产者放产品
sem_t full_sem // 同步信号量， 当没产品时阻止消费者消费
pthread_mutex_t mutex // 互斥信号量， 一次只有一个线程访问缓冲
int product_id = 0 //生产者id
int prochase_id = 0 //消费者id
/* 打印缓冲情况 */
void print()
{
int i
for(i = 0 i < M i++)
printf("%d ", buff[i])
printf("\n")
}
/* 生产者方法 */
void *product()
{
int id = ++product_id
while(1)
{
// 用sleep的数量可以调节生产和消费的速度，便于观察
sleep(1)
//sleep(1)
sem_wait(&empty_sem)
pthread_mutex_lock(&mutex)
in = in % M
printf("product%d in %d. like: \t", id, in)
buff[in] = 1
print()
++in
pthread_mutex_unlock(&mutex)
sem_post(&full_sem)
}
}
/* 消费者方法 */
void *prochase()
{
int id = ++prochase_id
while(1)
{
// 用sleep的数量可以调节生产和消费的速度，便于观察
sleep(1)
//sleep(1)
sem_wait(&full_sem)
pthread_mutex_lock(&mutex)
out = out % M
printf("prochase%d in %d. like: \t", id, out)
buff[out] = 0
print()
++out
pthread_mutex_unlock(&mutex)
sem_post(&empty_sem)
}
}
int main()
{
pthread_t id1[N]
pthread_t id2[N]
int i
int ret[N]
// 初始化同步信号量
int ini1 = sem_init(&empty_sem, 0, M)
int ini2 = sem_init(&full_sem, 0, 0)
if(ini1 && ini2 != 0)
{
printf("sem init failed \n")
exit(1)
}
//初始化互斥信号量
int ini3 = pthread_mutex_init(&mutex, NULL)
if(ini3 != 0)
{
printf("mutex init failed \n")
exit(1)
}
// 创建N个生产者线程
for(i = 0 i < N i++)
{
ret[i] = pthread_create(&id1[i], NULL, product, (void *)(&i))
if(ret[i] != 0)
{
printf("product%d creation failed \n", i)
exit(1)
}
}
//创建N个消费者线程
for(i = 0 i < N i++)
{
ret[i] = pthread_create(&id2[i], NULL, prochase, NULL)
if(ret[i] != 0)
{
printf("prochase%d creation failed \n", i)
exit(1)
}
}
//销毁线程
for(i = 0 i < N i++)
{
pthread_join(id1[i],NULL)
pthread_join(id2[i],NULL)
}
exit(0)
}
在Linux下编译的时候，要在编译命令中加入选项-lpthread以包含多线程支持。比如存储的C文件为demo.c,要生成的可执行文件为demo。可以使用命令：
gcc demo.c -o demo -lpthread
程序中为便于观察，使用了sleep(1)来暂停运行，所以查看输出的时候可以看到，输出是每秒打印一次的。
#include<stdio.h>#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<semaphore.h>
#include<pthread.h>
#define PRODUCER 10//生产者数量
#define CONSUMER 8//消费者数量
#define BUFFER 20//缓冲区数量
sem_t empty,full//同步信号量
pthread_mutex_t mutex//互斥信号量
int buffer[BUFFER] //缓冲区
int producer_id=0,consumer_id=0//生产者消费者ID
int index_in=0,index_out=0//生产者 消费者 存放 消费的位置
void print()//输出缓冲区
{
int i
printf("Buffer:\n")
for(i=0i<20i++)
{
printf("___")
}
printf("\n")
for(i=0i<20i++)
printf("|%d|",buffer[i])
printf("\n")
for(i=0i<20i++)
{
printf("———")
}
printf("\n")
}
void *Producer()//生产者函数
{
int ID=++producer_id
while(1)
{
sleep(3)
sem_wait(&empty)
pthread_mutex_lock(&mutex)
index_in=index_in%BUFFER
printf("Producer %d in %d.\n",ID,index_in)
buffer[index_in]=1//缓冲区置0
print()//输出缓冲区情况
index_in++
pthread_mutex_unlock(&mutex)
sem_post(&full)
}
}
void *Consumer()//消费者函数
{
int ID=++consumer_id
while(1)
{
sleep(3)
sem_wait(&full)
pthread_mutex_lock(&mutex)
index_out=index_out%BUFFER
printf("\033[0134mConsumer %d in %d\033[0m\n",ID,index_out)
buffer[index_out]=0//缓冲区置0
print()//输出缓冲区情况
index_out++
pthread_mutex_unlock(&mutex)
sem_post(&empty)
}
}
int main()
{
//freopen("text.txt","w",stdout)
int rthread[18],i
pthread_t producer[PRODUCER]//生产者
pthread_t consumer[CONSUMER]//消费者
int sinit1=sem_init(&empty,0,BUFFER)//初始化同步信号量
int sinit2=sem_init(&full,0,0)
int minit =pthread_mutex_init(&mutex,NULL)//初始化互斥信号量
if(sinit1 && sinit2)
{
printf("sem initialize failed /n")
exit(1)
}
if(minit)
{
printf("sem initialize failed /n")
exit(1)
}
for(i=0i<PRODUCERi++)//创建生产者线程
{
rthread[i]=pthread_create(&producer[i], NULL, Producer, NULL)
if(rthread[i])
{
printf("producer %d create failed /n", i)
exit(1)
}
}
for(i=0i<CONSUMERi++)//创建消费者线程
{
rthread[i]=pthread_create(&consumer[i], NULL, Consumer,NULL)
if(rthread[i])
{
printf("consumer %d create failed /n", i)
exit(1)
}
}
for(i=0i<PRODUCERi++)//销毁生产者线程
{
pthread_join(producer[i],NULL)
}
for(i=0i<CONSUMERi++)//销毁生产者线程
{
pthread_join(consumer[i],NULL)
}
exit(0)
}
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