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2016-03-31 14:09:13

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。

  1. 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);
  2. 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);
  3. 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);
  4. 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);
  1. #include   
  2. #include   
  3. #include   
  4. #include   
  5. #include "iostream"  
  6. using namespace std;  
  7. pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;  
  8. int tmp;  
  9. void* thread(void *arg)  
  10. {  
  11.     cout << "thread id is " << pthread_self() << endl;  
  12.     pthread_mutex_lock(&mutex);  
  13.     tmp = 12;  
  14.     cout << "Now a is " << tmp << endl;  
  15.     pthread_mutex_unlock(&mutex);  
  16.     return NULL;  
  17. }  
  18. int main()  
  19. {  
  20.     pthread_t id;  
  21.     cout << "main thread id is " << pthread_self() << endl;  
  22.     tmp = 3;  
  23.     cout << "In main func tmp = " << tmp << endl;  
  24.     if (!pthread_create(&id, NULL, thread, NULL))  
  25.     {  
  26.         cout << "Create thread success!" << endl;  
  27.     }  
  28.     else  
  29.     {  
  30.         cout << "Create thread failed!" << endl;  
  31.     }  
  32.     pthread_join(id, NULL);  
  33.     pthread_mutex_destroy(&mutex);  
  34.     return 0;  
  35. }  
  36. //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。

  1. 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);
  2. 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);
  3. 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
  4. 清除条件变量。无线程等待,否则返回EBUSY
    int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
[cpp] view plain copy
  1. #include   
  2. #include   
  3. #include "stdlib.h"  
  4. #include "unistd.h"  
  5. pthread_mutex_t mutex;  
  6. pthread_cond_t cond;  
  7. void hander(void *arg)  
  8. {  
  9.     free(arg);  
  10.     (void)pthread_mutex_unlock(&mutex);  
  11. }  
  12. void *thread1(void *arg)  
  13. {  
  14.     pthread_cleanup_push(hander, &mutex);  
  15.     while(1)  
  16.     {  
  17.         printf("thread1 is running\n");  
  18.         pthread_mutex_lock(&mutex);  
  19.         pthread_cond_wait(&cond, &mutex);  
  20.         printf("thread1 applied the condition\n");  
  21.         pthread_mutex_unlock(&mutex);  
  22.         sleep(4);  
  23.     }  
  24.     pthread_cleanup_pop(0);  
  25. }  
  26. void *thread2(void *arg)  
  27. {  
  28.     while(1)  
  29.     {  
  30.         printf("thread2 is running\n");  
  31.         pthread_mutex_lock(&mutex);  
  32.         pthread_cond_wait(&cond, &mutex);  
  33.         printf("thread2 applied the condition\n");  
  34.         pthread_mutex_unlock(&mutex);  
  35.         sleep(1);  
  36.     }  
  37. }  
  38. int main()  
  39. {  
  40.     pthread_t thid1,thid2;  
  41.     printf("condition variable study!\n");  
  42.     pthread_mutex_init(&mutex, NULL);  
  43.     pthread_cond_init(&cond, NULL);  
  44.     pthread_create(&thid1, NULL, thread1, NULL);  
  45.     pthread_create(&thid2, NULL, thread2, NULL);  
  46.     sleep(1);  
  47.     do  
  48.     {  
  49.         pthread_cond_signal(&cond);  
  50.     }while(1);  
  51.     sleep(20);  
  52.     pthread_exit(0);  
  53.     return 0;  
  54. }  
[cpp] view plain copy
  1. #include   
  2. #include   
  3. #include "stdio.h"  
  4. #include "stdlib.h"  
  5. static pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;  
  6. static pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;  
  7. struct node  
  8. {  
  9.     int n_number;  
  10.     struct node *n_next;  
  11. }*head = NULL;  
  12.   
  13. static void cleanup_handler(void *arg)  
  14. {  
  15.     printf("Cleanup handler of second thread./n");  
  16.     free(arg);  
  17.     (void)pthread_mutex_unlock(&mtx);  
  18. }  
  19. static void *thread_func(void *arg)  
  20. {  
  21.     struct node *p = NULL;  
  22.     pthread_cleanup_push(cleanup_handler, p);  
  23.     while (1)  
  24.     {  
  25.         //这个mutex主要是用来保证pthread_cond_wait的并发性  
  26.         pthread_mutex_lock(&mtx);  
  27.         while (head == NULL)  
  28.         {  
  29.             //这个while要特别说明一下,单个pthread_cond_wait功能很完善,为何  
  30.             //这里要有一个while (head == NULL)呢?因为pthread_cond_wait里的线  
  31.             //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。  
  32.             //这个时候,应该让线程继续进入pthread_cond_wait  
  33.             // pthread_cond_wait会先解除之前的pthread_mutex_lock锁定的mtx,  
  34.             //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  
  35.             //而被唤醒,唤醒后,该进程会先锁定先pthread_mutex_lock(&mtx);,再读取资源  
  36.             //用这个流程是比较清楚的  
  37.             pthread_cond_wait(&cond, &mtx);  
  38.             p = head;  
  39.             head = head->n_next;  
  40.             printf("Got %d from front of queue/n", p->n_number);  
  41.             free(p);  
  42.         }  
  43.         pthread_mutex_unlock(&mtx); //临界区数据操作完毕,释放互斥锁  
  44.     }  
  45.     pthread_cleanup_pop(0);  
  46.     return 0;  
  47. }  
  48. int main(void)  
  49. {  
  50.     pthread_t tid;  
  51.     int i;  
  52.     struct node *p;  
  53.     //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  
  54.     //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  
  55.     pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);  
  56.     sleep(1);  
  57.     for (i = 0; i < 10; i++)  
  58.     {  
  59.         p = (struct node*)malloc(sizeof(struct node));  
  60.         p->n_number = i;  
  61.         pthread_mutex_lock(&mtx); //需要操作head这个临界资源,先加锁,  
  62.         p->n_next = head;  
  63.         head = p;  
  64.         pthread_cond_signal(&cond);  
  65.         pthread_mutex_unlock(&mtx); //解锁  
  66.         sleep(1);  
  67.     }  
  68.     printf("thread 1 wanna end the line.So cancel thread 2./n");  
  69.     //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  
  70.     //线程,而在我们的代码里,最近的取消点肯定就是pthread_cond_wait()了。  
  71.     pthread_cancel(tid);  
  72.     pthread_join(tid, NULL);  
  73.     printf("All done -- exiting/n");  
  74.     return 0;  
  75. }  

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。

  1. 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。
  2. 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);
  3. 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);
  4. 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);
[cpp] view plain copy
  1. #include   
  2. #include   
  3. #include   
  4. #include   
  5. #include   
  6. #include   
  7. #define return_if_fail(p) if((p) == 0){printf ("[%s]:func error!/n", __func__);return;}  
  8. typedef struct _PrivInfo  
  9. {  
  10.     sem_t s1;  
  11.     sem_t s2;  
  12.     time_t end_time;  
  13. }PrivInfo;  
  14.   
  15. static void info_init (PrivInfo* thiz);  
  16. static void info_destroy (PrivInfo* thiz);  
  17. static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz);  
  18. static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz);  
  19.   
  20. int main (int argc, char** argv)  
  21. {  
  22.     pthread_t pt_1 = 0;  
  23.     pthread_t pt_2 = 0;  
  24.     int ret = 0;  
  25.     PrivInfo* thiz = NULL;  
  26.     thiz = (PrivInfo* )malloc (sizeof (PrivInfo));  
  27.     if (thiz == NULL)  
  28.     {  
  29.         printf ("[%s]: Failed to malloc priv./n");  
  30.         return -1;  
  31.     }  
  32.     info_init (thiz);  
  33.     ret = pthread_create (&pt_1, NULL, (void*)pthread_func_1, thiz);  
  34.     if (ret != 0)  
  35.     {  
  36.         perror ("pthread_1_create:");  
  37.     }  
  38.     ret = pthread_create (&pt_2, NULL, (void*)pthread_func_2, thiz);  
  39.     if (ret != 0)  
  40.     {  
  41.         perror ("pthread_2_create:");  
  42.     }  
  43.     pthread_join (pt_1, NULL);  
  44.     pthread_join (pt_2, NULL);  
  45.     info_destroy (thiz);  
  46.     return 0;  
  47. }  
  48. static void info_init (PrivInfo* thiz)  
  49. {  
  50.     return_if_fail (thiz != NULL);  
  51.     thiz->end_time = time(NULL) + 10;  
  52.     sem_init (&thiz->s1, 0, 1);  
  53.     sem_init (&thiz->s2, 0, 0);  
  54.     return;  
  55. }  
  56. static void info_destroy (PrivInfo* thiz)  
  57. {  
  58.     return_if_fail (thiz != NULL);  
  59.     sem_destroy (&thiz->s1);  
  60.     sem_destroy (&thiz->s2);  
  61.     free (thiz);  
  62.     thiz = NULL;  
  63.     return;  
  64. }  
  65. static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz)  
  66. {  
  67.     return_if_fail(thiz != NULL);  
  68.     while (time(NULL) < thiz->end_time)  
  69.     {  
  70.         sem_wait (&thiz->s2);  
  71.         printf ("pthread1: pthread1 get the lock./n");  
  72.         sem_post (&thiz->s1);  
  73.         printf ("pthread1: pthread1 unlock/n");  
  74.         sleep (1);  
  75.     }  
  76.     return;  
  77. }  
  78. static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz)  
  79. {  
  80.     return_if_fail (thiz != NULL);  
  81.     while (time (NULL) < thiz->end_time)  
  82.     {  
  83.         sem_wait (&thiz->s1);  
  84.         printf ("pthread2: pthread2 get the unlock./n");  
  85.         sem_post (&thiz->s2);  
  86.         printf ("pthread2: pthread2 unlock./n");  
  87.         sleep (1);  
  88.     }  
  89.     return;  

四、异步信号

   由于LinuxThreads是在核外使用核内轻量级进程实现的线程,所以基于内核的异步信号操作对于线程也是有效的。但同时,由于异步信号总是实际发往某个进程,所以无法实现POSIX标准所要求的"信号到达某个进程,然后再由该进程将信号分发到所有没有阻塞该信号的线程中"原语,而是只能影响到其中一个线程。

   POSIX异步信号同时也是一个标准C库提供的功能,主要包括信号集管理(sigemptyset()、sigfillset()、sigaddset()、sigdelset()、sigismember()等)、信号处理函数安装(sigaction())、信号阻塞控制(sigprocmask())、被阻塞信号查询(sigpending())、信号等待(sigsuspend())等,它们与发送信号的kill()等函数配合就能实现进程间异步信号功能。LinuxThreads围绕线程封装了sigaction()何raise(),本节集中讨论LinuxThreads中扩展的异步信号函数,包括pthread_sigmask()、pthread_kill()和sigwait()三个函数。毫无疑问,所有POSIX异步信号函数对于线程都是可用的。

int pthread_sigmask(int how, const sigset_t *newmask, sigset_t *oldmask)
设置线程的信号屏蔽码,语义与sigprocmask()相同,但对不允许屏蔽的Cancel信号和不允许响应的Restart信号进行了保护。被屏蔽的信号保存在信号队列中,可由sigpending()函数取出。

int pthread_kill(pthread_t thread, int signo)
向thread号线程发送signo信号。实现中在通过thread线程号定位到对应进程号以后使用kill()系统调用完成发送。

int sigwait(const sigset_t *set, int *sig)
挂起线程,等待set中指定的信号之一到达,并将到达的信号存入*sig中。POSIX标准建议在调用sigwait()等待信号以前,进程中所有线程都应屏蔽该信号,以保证仅有sigwait()的调用者获得该信号,因此,对于需要等待同步的异步信号,总是应该在创建任何线程以前调用pthread_sigmask()屏蔽该信号的处理。而且,调用sigwait()期间,原来附接在该信号上的信号处理函数不会被调用。

如果在等待期间接收到Cancel信号,则立即退出等待,也就是说sigwait()被实现为取消点。


 

五、其他同步方式

   除了上述讨论的同步方式以外,其他很多进程间通信手段对于LinuxThreads也是可用的,比如基于文件系统的IPC(管道、Unix域Socket等)、消息队列(Sys.V或者Posix的)、System V的信号灯等。只有一点需要注意,LinuxThreads在核内是作为共享存储区、共享文件系统属性、共享信号处理、共享文件描述符的独立进程看待的。


条件变量与互斥锁、信号量的区别

1).互斥锁必须总是由给它上锁的线程解锁,信号量的挂出即不必由执行过它的等待操作的同一进程执行。一个线程可以等待某个给定信号灯,而另一个线程可以挂出该信号灯。

2).互斥锁要么锁住,要么被解开(二值状态,类型二值信号量)

3).由于信号量有一个与之关联的状态(它的计数值),信号量挂出操作总是被记住。然而当向一个条件变量发送信号时,如果没有线程等待在该条件变量上,那么该信号将丢失。

4).互斥锁是为了上锁而设计的,条件变量是为了等待而设计的,信号灯即可用于上锁,也可用于等待,因而可能导致更多的开销和更高的复杂性。




2013-08-05 23:19 938人阅读 评论(0) 收藏 举报
 分类:
 
Linux(14) 

进程间通讯(IPC)方法主要有以下几种:   
    管道/FIFO/共享内存/消息队列/信号   

1.管道中还有命名管道和非命名管道(即匿名管道)之分,非命名管道(即匿名管道)只能用于父子进程通讯,命名管道可用于非父子进程,命名管道就是FIFO,管道是先进先出的通讯方式    

2.消息队列是用于两个进程之间的通讯,首先在一个进程中创建一个消息队列,然后再往消息队列中写数据,而另一个进程则从那个消息队列中取数据。需要注意的是,消息队列是用创建文件的方式建立的,如果一个进程向某个消息队列中写入了数据之后,另一个进程并没有取出数据,即使向消息队列中写数据的进程已经结束,保存在消息队列中的数据并没有消失,也就是说下次再从这个消息队列读数据的时候,就是上次的数据!!!!    

3.信号量,它与WINDOWS下的信号量是一样的,所以就不用多说了    

4.共享内存,类似于WINDOWS下的DLL中的共享变量,但LINUX下的共享内存区不需要像DLL这样的东西,只要首先创建一个共享内存区,其它进程按照一定的步骤就能访问到这个共享内存区中的数据,当然可读可写      

以上几种方式的比较:    

1.管道:速度慢,容量有限,只有父子进程能通讯    

2.FIFO:任何进程间都能通讯,但速度慢    

3.消息队列:容量受到系统限制,且要注意第一次读的时候,要考虑上一次没有读完数据的问题    

4.信号量:不能传递复杂消息,只能用来同步    

5.共享内存区:能够很容易控制容量,速度快,但要保持同步,比如一个进程在写的时候,另一个进程要注意读写的问题,相当于线程中的线程安全,当然,共享内存区同样可以用作线程间通讯,不过没这个必要,线程间本来就已经共享了同一进程内的一块内存

Linux系统上运行有多个进程,其中许多都是独立运行。然而,有些进程必须相互合作以达成预期目的,因此彼此间需要通信和同步机制。

读写磁盘文件中的信息是进程间通信的方法之一。可是,对许多程序来说,这种方法既慢又缺乏灵活性。因此,像所有现代UNIX实现那样,Linux也提供了丰富的进程间通信(IPC)机制,如下所示:

信号(signal):用来表示事件的发生。

管道和FIFO:用于在进程间传递数据。

套接字:供同一台主机或是联网的不同主机上所运行的进程之间传递数据。

文件锁定:为防止其他进程读取或更新文件内容,允许某进程对文件的部分区域加以锁定。

消息队列:用于在进程间交换信息(数据包)

信号量(semaphore):用来同步进程动作。

共享内存:允许两个及两个以上进程共享一块内存。当某进程改变了共享内存的内容时,其他所有进程会立即了解到这一变化。

UNIX系统的IPC机制种类如此繁多,有些功能还互有重叠,部分原因是由于各种IPC机制是在不同的UNIX实现上演变而来的,需要遵循的标准也各不相同。例如,就本质而言,FIFO和UNIX套接字功能相同,允许同一系统上并无关联的进程彼此交换数据。二者之所以并存于现代UNIX系统之中,是由于FIFO来自System V,而套接字则源于BSD。



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