Linux：线程同步

Linux：线程同步

• • 线程同步
  • • 条件变量 cond

线程同步

同步的含义是：

同步：线程之间按照一定顺序访问资源

线程在占用锁的时候，是不受控制的，这就有可能导致一个竞争能力强的线程，从头到尾都占用一个锁。刚释放这个锁，就又被同一个线程申请走了。

线程是通过条件变量来进行线程同步的。

条件变量 cond

条件变量cond在pthread库中，需要头文件，创建与销毁方式如下：

条件变量的类型是pthread_cond_t，分为全局条件变量和局部条件变量，它们的创建方式不同。

全局cond：

想要创建一个全局的条件变量很简单，直接定义即可：

pthread_cond_t xxx = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

这样就创建了一个名为xxx的变量，类型是pthread_cond_t，即这个变量是一个条件变量，全局的条件变量必须用宏PTHREAD_COND_INITIALIZER进行初始化！

另外，全局的条件变量不需要手动销毁。

局部cond：

局部的条件变量是需要通过接口来初始化与销毁的，接口如下：

pthread_cond_init：

pthread_cond_init函数用于初始化一个条件变量，函数原型如下：

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);

参数：

• restrict cond：类型为pthread_cond_t *的指针，指向一个条件变量，对其初始化
• restrict attr：用于设定该条件变量的属性，一般不用，设为空指针即可

返回值：成功返回0；失败返回错误码

pthread_cond_destroy：

pthread_cond_destroy函数用于销毁一个条件变量，函数原型如下：

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

参数：类型为pthread_cond_t *的指针，指向一个条件变量，销毁该条件变量

返回值：成功返回0；失败返回错误码

创建好条件变量后，就要使用这个条件变量，主要是两个操作：等待条件满足和唤醒线程。

如图所示：

现在有三个线程thread-1，thread-2，thread-3，这三个线程争夺一个临界资源。

而thread-1申请到了锁mutex，但是由于我们给这个临界资源添加了条件变量：此时thread-1不能直接访问临界资源，而是进入等待队列，并且释放持有的锁：

由于锁被释放，后续线程可以继续申请这个锁。于是thread-2和thread-3也分别申请到了mutex，通过相同的方式进入了等待队列：

现在所有线程都在等待队列中，这些线程因为没有满足特定条件，所以不能访问临界资源。但是为什么要进等待队列呢？

因为要保证线程同步，也就是说，一开始谁先访问的临界资源，那么后续条件满足时，就让谁先来访问这个资源。

pthread_cond_wait：

pthread_cond_wait函数用于让一个线程进入等待队列等待，直到被唤醒，函数原型如下：

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);

参数：

• restrict cond：类型是pthread_cond_t *的指针，即在哪一个条件变量下等待
• restrict mutex：类型是pthread_mutex_t *的指针，因为在进入等待队列前，线程是持有锁的状态，此处传入锁的指针，就是为了帮助这个线程释放该锁，从而让其他线程也可以申请锁，进入等待队列。

返回值：成功返回0，失败返回错误码。

那么进入等待队列后，又要如何唤醒内部的线程呢？

有两种唤醒方式：唤醒一个线程与唤醒所有线程

pthread_cond_signal：

pthread_cond_signal用于唤醒等待队列的第一个线程，让其访问临界区的代码，函数原型如下：

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

参数：cond用于指明一个条件变量，说明要唤醒哪一个条件变量下等待的线程。

比如刚刚三个线程都进入了等待队列：

当使用pthread_cond_signal唤醒一个线程时：线程重新获得之前释放的锁mutex，随后访问临界区代码。

当后续条件再次满足，thread-2和thread-3也会依次再次获得锁，从而访问到临时资源。

假设现在thread-1访问完毕临界资源后，立马再次申请了锁：

由于条件变量的存在，therad-1不能直接访问资源，要去等待队列等待，此时thread-1进入等待队列尾部：

这样就可以避免一个线程一直占用临界资源，从而完成线程同步了。

pthread_cond_broadcast：

pthread_cond_broadcast用于唤醒等待队列中的所有线程，函数原型如下：

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

参数：cond用于指明一个条件变量，说明要唤醒哪一个条件变量下等待的线程。

还是刚才的三个线程都处于等待队列的情况：

当我现在用pthread_cond_broadcast唤醒所有线程，此时thread-1，thread-2，thread-3都被唤醒了，难道他们一起访问临界资源吗？不是的，此时所有被唤醒的线程再次竞争同一把锁，竞争到锁的线程才访问临界资源。当前一个线程访问完毕后，剩下的线程继续竞争，再访问临界资源。

讲解完条件变量的接口，我写一个示例帮助大家理解。

class thread
{
public:
    pthread_t _tid;
    string _name;
};

pthread_mutex_t g_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t g_cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

void master(string name)
{
    while(true)
    {
        sleep(1);
        pthread_cond_signal(&g_cond);
    }
}

void* server(void* argv)
{
    thread* thd = (thread*)argv;
    
    while(true)
    {
        pthread_mutex_lock(&g_mutex);

        pthread_cond_wait(&g_cond, &g_mutex);

        cout << thd->_name << " is weakup!!!" << endl;

        pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
    }

    return nullptr;
}

int main()
{
    vector<thread> threads(5);

    for(int i = 0; i < 5; i++)
    {
        threads[i]._name = "thread-" + to_string(i + 1);
        pthread_create(&threads[i]._tid, nullptr, server, (void*)&threads[i]);
    }

    master("master thread");

    return 0;
}

首先我简单封装了一个线程类：

class thread
{
public:
    pthread_t _tid;
    string _name;
};

其包含两个成员，_tid存储该线程的TID，_name存储该线程的名字。

随后定义了两个全局变量，分别是互斥锁g_mutex以及条件变量g_cond。

主线程执行函数master：

void master(string name)
{
    while(true)
    {
        sleep(1);
        pthread_cond_signal(&g_cond);
    }
}

也就是每秒钟通过ptherad_cond_signal唤醒一个队列中的线程。

在main函数中：

int main()
{
    vector<thread> threads(5);

    for(int i = 0; i < 5; i++)
    {
        threads[i]._name = "thread-" + to_string(i + 1);
        pthread_create(&threads[i]._tid, nullptr, server, (void*)&threads[i]);
    }

    master("master thread");

    return 0;
}

先创建了五个线程对象，随后在for循环内部通过pthread_create创建线程，以及给这些线程命名，这些线程都去执行了server函数，而主线程执行master函数。

server函数如下：

void* server(void* argv)
{
    thread* thd = (thread*)argv;
    
    while(true)
    {
        pthread_mutex_lock(&g_mutex);

        pthread_cond_wait(&g_cond, &g_mutex);

        cout << thd->_name << " is weakup!!!" << endl;

        pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
    }

    return nullptr;
}

这也是示例中最核心的部分，线程进入了while循环后，先通过pthread_mutex_lock加锁，意图访问临界资源。

但是由于条件变量的限制，其还没有访问到临界资源，就执行了pthread_cond_wait，进入等待队列，并释放掉了自己之前申请的锁。

每秒钟主线程在master中唤醒一个线程，当线程被唤醒后，便重新拿到锁，执行临界资源cout <_name << " is weakup!!!" << endl;，也就是显示器资源，最后释放自己的锁。

注意：在server中，是没有任何sleep函数的，但是由于master中限制了每秒钟唤醒一次，所以最后线程会以同步的形式，每隔一秒依次占用显示器，而不会发生某个线程一直输出。

输出结果：

可以看到，线程按照1 2 3 4 5的顺序依次输出了，这就是线程同步的作用。

我们再看看pthread_cond_broadcast的效果，现在把master改为如下代码：

void master(string name)
{
    while(true)
    {
        sleep(3);
        cout << "-------------" << endl;
        pthread_cond_broadcast(&g_cond);
    }
}

现在主线程每隔三秒唤醒等待队列中的所有线程，为了方便观察，我每次额外输出一条横线-----------。

输出结果：

由于线程被全部唤醒后，此时它们又要再次竞争锁，每个轮次情况不一样，所以输出的顺序就不一样。比如第一次输出，thread-1竞争力比较强，而第三次输出，thread-2竞争力比较强。但是可以保证的是，每个轮次中1 2 3 4 5都获取到了一次资源，因此也算一种同步。