互斥量 mutex
互斥量mutex也叫做互斥锁，在Linux中，锁是通过mutex来实现的
mutex相关函数
- pthread_mutex_init函数
- pthread_mutex_destroy函数
- pthread_mutex_lock函数
- pthread_mutex_trylock函数//非阻塞式的，如果无法获取锁，直接返回
- pthread_mutex_unlock函数
以上5个函数的返回值都是：成功返回0， 失败返回错误号。
pthread_mutex_init函数
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
restrict关键字：只用于限制指针，告诉编译器，所有修改该指针指向内存中内容的操作，只能通过本指针完成。不能通过除本指针以外的其他变量或指针修改
1、传出参数，调用时应传 &mutex
2、互斥量属性。是一个传入参数，通常传NULL，选用默认属性(线程间共享)
pthread_mutex_destroy函数
销毁一个互斥锁
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
pthread_mutex_lock函数
加锁
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
pthread_mutex_unlock函数
解锁
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
pthread_mutex_trylock函数
尝试加锁
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
lock与unlock
lock尝试加锁，如果加锁不成功，线程阻塞，阻塞到持有该互斥量的其他线程解锁为止。
unlock主动解锁函数，同时将阻塞在该锁上的所有线程全部唤醒，至于哪个线程先被唤醒，取决于优先级、调度。默认：先阻塞、先唤醒。
trylock 与lock
lock加锁失败会阻塞，等待锁释放。
trylock加锁失败直接返回错误号（如：EBUSY），不阻塞。
查看下面程序中的问题
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
void *tfn(void *arg)
{
srand(time(NULL));
while (1) {
printf("hello ");
sleep(rand() % 3); /*模拟长时间操作共享资源，导致cpu易主，产生与时间有关的错误*/
printf("world\n");
sleep(rand() % 3);
}
return NULL;
}
int main(void)
{
pthread_t tid;
srand(time(NULL));
pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
while (1) {
printf("HELLO ");
sleep(rand() % 3);
printf("WORLD\n");
sleep(rand() % 3);
}
pthread_join(tid, NULL);
return 0;
}
注意这段程序的共享资源是标准输出，也就是stdout
修改：使用mutex互斥锁进行同步
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
pthread_mutex_t mutex;
void err_thread(int ret, char *str)
{
if (ret != 0) {
fprintf(stderr, "%s:%s\n", str, strerror(ret));
pthread_exit(NULL);
}
}
void *tfn(void *arg)
{
srand(time(NULL));
while (1) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
printf("hello ");
sleep(rand() % 3); /*模拟长时间操作共享资源，导致cpu易主，产生与时间有关的错误*/
printf("world\n");
pthread_mutex_unlock(&mutex);
sleep(rand() % 3);
}
return NULL;
}
int main(void)
{
int flag = 5;
pthread_t tid;
srand(time(NULL));
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
while (flag--) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
printf("HELLO ");
sleep(rand() % 3);
printf("WORLD\n");
pthread_mutex_unlock(&mutex);
sleep(rand() % 3);
}
pthread_cancel(tid); // 将子线程杀死,子线程中自带取消点
pthread_join(tid, NULL);
pthread_mutex_destroy(&mutex);
return 0; //main中的return可以将整个进程退出
}
/*线程之间共享资源stdout*/
1.定义全局互斥量，初始化init(&m, NULL)互斥量，添加对应的destroy
2.两个线程while中，两次printf前后，分别加lock和unlock
3.将unlock挪至第二个sleep后，发现交替现象很难出现。
线程在操作完共享资源后本应该立即解锁，但修改后，线程抱着锁睡眠。睡醒解锁后又立即加锁，这两个库函数本身不会阻塞。
所以在这两行代码之间失去cpu的概率很小。因此，另外一个线程很难得到加锁的机会。
4.main 中加flag = 5 将flg在while中-- 这时，主线程输出5次后试图销毁锁，但子线程未将锁释放，无法完成。
main 中加pthread_cancel()将子线程取消。
读写锁
与互斥量类似，但读写锁允许更高的并行性。其特性为：写独占，读共享。
- 1.读写锁是“写模式加锁”时， 解锁前，所有对该锁加锁的线程都会被阻塞。
- 2.读写锁是“读模式加锁”时， 如果线程以读模式对其加锁会成功；如果线程以写模式加锁会阻塞。
- 3.读写锁是“读模式加锁”时， 既有试图以写模式加锁的线程，也有试图以读模式加锁的线程。那么读写锁会阻塞随后的读模式锁请求。优先满足写模式锁。读锁、写锁并行阻塞，写锁优先级高
主要函数：
pthread_rwlock_init函数
pthread_rwlock_destroy函数
pthread_rwlock_rdlock函数
pthread_rwlock_wrlock函数
pthread_rwlock_tryrdlock函数
pthread_rwlock_trywrlock函数
pthread_rwlock_unlock函数
pthread_rwlock_t类型 用于定义一个读写锁变量。
pthread_rwlock_t rwlock;
pthread_rwlock_init函数
初始化一把读写锁
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);
attr表示读写锁属性，通常使用默认属性，传NULL即可。
pthread_rwlock_destroy函数
销毁一把读写锁
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
pthread_rwlock_rdlock函数
以读方式请求读写锁。（常简称为：请求读锁）
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
pthread_rwlock_unlock函数
解锁
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
pthread_rwlock_tryrdlock函数
非阻塞以读方式请求读写锁（非阻塞请求读锁）
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
pthread_rwlock_trywrlock函数
非阻塞以写方式请求读写锁（非阻塞请求写锁）
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
示例代码：
/* 3个线程不定时 "写" 全局资源，5个线程不定时 "读" 同一全局资源 */
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
int counter; //全局资源
pthread_rwlock_t rwlock;
void *th_write(void *arg)
{
int t;
int i = (int)arg;
while (1) {
t = counter;
usleep(1000);
pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
printf("=======write %d: %lu: counter=%d ++counter=%d\n", i, pthread_self(), t, ++counter);
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
usleep(5000);
}
return NULL;
}
void *th_read(void *arg)
{
int i = (int)arg;
while (1) {
pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
printf("----------------------------read %d: %lu: %d\n", i, pthread_self(), counter);
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
usleep(900);
}
return NULL;
}
int main(void)
{
int i;
pthread_t tid[8];
pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);
for (i = 0; i < 3; i++)
pthread_create(&tid[i], NULL, th_write, (void *)i);
for (i = 0; i < 5; i++)
pthread_create(&tid[i+3], NULL, th_read, (void *)i);
for (i = 0; i < 8; i++)
pthread_join(tid[i], NULL);
pthread_rwlock_destroy(&rwlock); //释放读写琐
return 0;
}
条件变量Condition的作用
生产者消费者模型
pthread_cond_init函数
pthread_cond_destroy函数
pthread_cond_wait函数
pthread_cond_timedwait函数
pthread_cond_signal函数
pthread_cond_broadcast函数
pthread_cond_t类型 用于定义条件变量
pthread_cond_t cond;
pthread_cond_init函数
初始化一个条件变量
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);
attr表条件变量属性，通常为默认值，传NULL即可
pthread_cond_destroy函数
销毁一个条件变量
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
pthread_cond_wait函数
阻塞等待一个条件变量
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);
- 1.阻塞等待条件变量cond（参1）
- 2.释放已掌握的互斥锁（解锁互斥量）相当于pthread_mutex_unlock(&mutex); 前面两步为一个原子操作。
- 3.当被唤醒，pthread_cond_wait函数返回时，解除阻塞并重新申请获取互斥锁pthread_mutex_lock(&mutex);
pthread_cond_timedwait函数
限时等待一个条件变量
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime);
参3： 参看man sem_timedwait函数，查看struct timespec结构体。
struct timespec {
time_t tv_sec; /* seconds */ 秒
long tv_nsec; /* nanosecondes*/ 纳秒
}
形参abstime：绝对时间。
如：time(NULL)返回的就是绝对时间。而alarm(1)是相对时间，相对当前时间定时1秒钟。
struct timespec t = {1, 0};
pthread_cond_timedwait (&cond, &mutex, &t); 只能定时到 1970年1月1日 00:00:01秒(早已经过去)
正确用法：
time_t cur = time(NULL); 获取当前时间。
struct timespec t; 定义timespec 结构体变量t
t.tv_sec = cur+1; 定时1秒
pthread_cond_timedwait (&cond, &mutex, &t); 传参 参APUE.11.6线程同步条件变量小节
在讲解setitimer函数时我们还提到另外一种时间类型：
struct timeval {
time_t tv_sec; /* seconds */ 秒
suseconds_t tv_usec; /* microseconds */ 微秒
};
pthread_cond_signal函数
唤醒至少一个阻塞在条件变量上的线程
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
pthread_cond_broadcast函数
唤醒全部阻塞在条件变量上的线程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
示例代码：
/*借助条件变量模拟 生产者-消费者 问题*/
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
/*链表作为公享数据,需被互斥量保护*/
struct msg {
struct msg *next;
int num;
};
struct msg *head;
struct msg *mp;
/* 静态初始化 一个条件变量 和 一个互斥量*/
pthread_cond_t has_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void *consumer(void *p)
{
for (;;) {
pthread_mutex_lock(&lock);
while (head == NULL) { //头指针为空,说明没有节点 可以为if吗？不能，防止有多个消费者
pthread_cond_wait(&has_product, &lock);
}
mp = head;
head = mp->next; //模拟消费掉一个产品
pthread_mutex_unlock(&lock);
printf("-Consume ---%d\n", mp->num);
free(mp);
mp = NULL;
sleep(rand() % 5);
}
}
void *producer(void *p)
{
for (;;) {
mp = malloc(sizeof(struct msg));
mp->num = rand() % 1000 + 1; //模拟生产一个产品
printf("-Produce ---%d\n", mp->num);
pthread_mutex_lock(&lock);
mp->next = head;
head = mp;
pthread_mutex_unlock(&lock);
pthread_cond_signal(&has_product); //将等待在该条件变量上的一个线程唤醒
sleep(rand() % 5);
}
}
int main(int argc, char *argv[])
{
pthread_t pid, cid;
srand(time(NULL));
pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);
pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);
pthread_join(pid, NULL);
pthread_join(cid, NULL);
return 0;
}
条件变量的优势
相较于mutex而言，条件变量可以减少竞争。
如直接使用mutex，除了生产者、消费者之间要竞争互斥量以外，消费者之间也需要竞争互斥量，但如果汇聚（链表）中没有数据，消费者之间竞争互斥锁是无意义的。有了条件变量机制以后，只有生产者完成生产，才会引起消费者之间的竞争。提高了程序效率
信号量
进化版的互斥锁（1 --> N）
由于互斥锁的粒度比较大，如果我们希望在多个线程间对某一对象的部分数据进行共享，使用互斥锁是没有办法实现的，只能将整个数据对象锁住。这样虽然达到了多线程操作共享数据时保证数据正确性的目的，却无形中导致线程的并发性下降。线程从并行执行，变成了串行执行。与直接使用单线程无异。
信号量，是相对折中的一种处理方式，既能保证同步，数据不混乱，又能提高线程并发。
主要应用函数：
sem_init函数
sem_destroy函数
sem_wait函数
sem_trywait函数
sem_timedwait函数
sem_post函数
以上6 个函数的返回值都是：成功返回0， 失败返回-1，同时设置errno。(注意，它们没有pthread前缀)
sem_t类型，本质仍是结构体。但应用期间可简单看作为整数，忽略实现细节（类似于使用文件描述符）。 sem_t sem; 规定信号量sem不能 < 0。头文件 <semaphore.h>
信号量基本操作：
sem_wait: 1. 信号量大于0，则信号量-- （类比pthread_mutex_lock）
| 2. 信号量等于0，造成线程阻塞
对应
|
sem_post： 将信号量++，同时唤醒阻塞在信号量上的线程 （类比pthread_mutex_unlock）
但，由于sem_t的实现对用户隐藏，所以所谓的++、--操作只能通过函数来实现，而不能直接++、--符号。
信号量的初值，决定了占用信号量的线程的个数。
sem_init函数
初始化一个信号量
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
参1：sem信号量
参2：pshared取0用于线程间；取非0（一般为1）用于进程间
参3：value指定信号量初值
sem_destroy函数
销毁一个信号量
int sem_destroy(sem_t *sem);
sem_wait函数
给信号量加锁 --
int sem_wait(sem_t *sem);
sem_post函数
给信号量解锁 ++
int sem_post(sem_t *sem);
sem_trywait函数
尝试对信号量加锁 -- (与sem_wait的区别类比lock和trylock)
int sem_trywait(sem_t *sem);
sem_timedwait函数
限时尝试对信号量加锁 --
int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);
参2：abs_timeout采用的是绝对时间。
定时1秒：
time_t cur = time(NULL); 获取当前时间。
struct timespec t; 定义timespec 结构体变量t
t.tv_sec = cur+1; 定时1秒
t.tv_nsec = t.tv_sec +100;
sem_timedwait(&sem, &t); 传参
生产者消费者信号量模型
/*信号量实现 生产者 消费者问题*/
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <semaphore.h>
#define NUM 5
int queue[NUM]; //全局数组实现环形队列
sem_t blank_number, product_number; //空格子信号量, 产品信号量
void *producer(void *arg)
{
int i = 0;
while (1) {
sem_wait(&blank_number); //生产者将空格子数--,为0则阻塞等待
queue[i] = rand() % 1000 + 1; //生产一个产品
printf("----Produce---%d\n", queue[i]);
sem_post(&product_number); //将产品数++
i = (i+1) % NUM; //借助下标实现环形
sleep(rand()%3);
}
}
void *consumer(void *arg)
{
int i = 0;
while (1) {
sem_wait(&product_number); //消费者将产品数--,为0则阻塞等待
printf("-Consume---%d\n", queue[i]);
queue[i] = 0; //消费一个产品
sem_post(&blank_number); //消费掉以后,将空格子数++
i = (i+1) % NUM;
sleep(rand()%3);
}
}
int main(int argc, char *argv[])
{
pthread_t pid, cid;
sem_init(&blank_number, 0, NUM); //初始化空格子信号量为5
sem_init(&product_number, 0, 0); //产品数为0
pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);
pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);
pthread_join(pid, NULL);
pthread_join(cid, NULL);
sem_destroy(&blank_number);
sem_destroy(&product_number);
return 0;
}
进程间同步
互斥量mutex
进程间也可以使用互斥锁，来达到同步的目的。但应在pthread_mutex_init初始化之前，修改其属性为进程间共享。mutex的属性修改函数主要有以下几个。
主要应用函数：
pthread_mutexattr_t mattr 类型： 用于定义mutex锁的【属性】
pthread_mutexattr_init函数： 初始化一个mutex属性对象
int pthread_mutexattr_init(pthread_mutexattr_t *attr);
pthread_mutexattr_destroy函数： 销毁mutex属性对象 (而非销毁锁)
int pthread_mutexattr_destroy(pthread_mutexattr_t *attr);
pthread_mutexattr_setpshared函数： 修改mutex属性。
int pthread_mutexattr_setpshared(pthread_mutexattr_t *attr, int pshared);
参2：pshared取值：
线程锁：PTHREAD_PROCESS_PRIVATE (mutex的默认属性即为线程锁，进程间私有)
进程锁：PTHREAD_PROCESS_SHARED
示例代码
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/wait.h>
struct mt {
int num;
pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutexattr_t mutexattr;
};
int main(void)
{
int i;
struct mt *mm;
pid_t pid;
/*
int fd = open("mt_test", O_CREAT | O_RDWR, 0777);
ftruncate(fd, sizeof(*mm));
mm = mmap(NULL, sizeof(*mm), PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
close(fd);
unlink("mt_test");
*/
mm = mmap(NULL, sizeof(*mm), PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANON, -1, 0);
memset(mm, 0, sizeof(*mm));
pthread_mutexattr_init(&mm->mutexattr); //初始化mutex属性对象
pthread_mutexattr_setpshared(&mm->mutexattr, PTHREAD_PROCESS_SHARED); //修改属性为进程间共享
pthread_mutex_init(&mm->mutex, &mm->mutexattr); //初始化一把mutex琐
pid = fork();
if (pid == 0) {
for (i = 0; i < 10; i++) {
pthread_mutex_lock(&mm->mutex);
(mm->num)++;
pthread_mutex_unlock(&mm->mutex);
printf("-child----------num++ %d\n", mm->num);
}
} else if (pid > 0) {
for ( i = 0; i < 10; i++) {
// sleep(1);
pthread_mutex_lock(&mm->mutex);
mm->num += 2;
pthread_mutex_unlock(&mm->mutex);
printf("-------parent---num+=2 %d\n", mm->num);
}
wait(NULL);
}
pthread_mutexattr_destroy(&mm->mutexattr); //销毁mutex属性对象
pthread_mutex_destroy(&mm->mutex); //销毁mutex
munmap(mm,sizeof(*mm)); //释放映射区
return 0;
}
文件锁
借助 fcntl函数来实现锁机制。 操作文件的进程没有获得锁时，可以打开，但无法执行read、write操作。
fcntl函数： 获取、设置文件访问控制属性。
int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );
F_SETLK (struct flock *) 设置文件锁（trylock）
F_SETLKW (struct flock *) 设置文件锁（lock）W --> wait
F_GETLK (struct flock *) 获取文件锁
struct flock {
...
short l_type; 锁的类型：F_RDLCK 、F_WRLCK 、F_UNLCK
short l_whence; 偏移位置：SEEK_SET、SEEK_CUR、SEEK_END
off_t l_start; 起始偏移：1000
off_t l_len; 长度：0表示整个文件加锁
pid_t l_pid; 持有该锁的进程ID：(F_GETLK only)
...
};
进程间文件锁示例
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
void sys_err(char *str)
{
perror(str);
exit(1);
}
int main(int argc, char *argv[])
{
int fd;
struct flock f_lock;
if (argc < 2) {
printf("./a.out filename\n");
exit(1);
}
if ((fd = open(argv[1], O_RDWR)) < 0)
sys_err("open");
f_lock.l_type = F_WRLCK; /*选用写琐*/
// f_lock.l_type = F_RDLCK; /*选用读琐*/
f_lock.l_whence = SEEK_SET;
f_lock.l_start = 0;
f_lock.l_len = 0; /* 0表示整个文件加锁 */
fcntl(fd, F_SETLKW, &f_lock);
printf("get flock\n");
sleep(10);
f_lock.l_type = F_UNLCK;
fcntl(fd, F_SETLKW, &f_lock);
printf("un flock\n");
close(fd);
return 0;
}
多线程间共享文件描述符，而给文件加锁，是通过修改文件描述符所指向的文件结构体中的成员变量来实现的。因此，多线程中无法使用文件锁。
