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Linux系统中线程同步方式中的条件变量操作方法


    大家好,今天主要和大家聊一聊,如何使用Linux中线程同步方式中的条件变量。

    

Linux系统中线程同步方式中的条件变量操作方法_条件变量

第一:条件变量基本简介

    条件变量是线程可用的另一种同步机制,条件变量用于自动阻塞线程,知道某个特定事件或某个条件满足为止,通常情况下,条件变量是和互斥锁一起搭配使用的。使用条件变量主要包括两个动作:

1、一个线程等待某个条件满足而被阻塞。

2、另一个线程中,条件满足时发出“信号”。

    例子:为了说明这个问题,来看一个没有使用条件变量的例子,生产者---消费者模式,生产者这边负责生产产 品、而消费者负责消费产品,对于消费者来说,没有产品的时候只能等待产品出来,有产品就使用它。

     这里我们使用一个变量来表示这个产品,生产者生产一件产品变量加1,消费者消费一次变量减1.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
static pthread_mutex_t mutex;
static int g_avail = 0;
/* 消费者线程 */
static void *consumer_thread(void *arg)
{
for ( ; ; ) {
pthread_mutex_lock(&mutex);//上锁
while (g_avail > 0)
g_avail--; //消费
pthread_mutex_unlock(&mutex);//解锁
}
return (void *)0;
}
/* 主线程(生产者) */
int main(int argc, char *argv[])
{
pthread_t tid;
int ret;
/* 初始化互斥锁 */
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
/* 创建新线程 */
ret = pthread_create(&tid, NULL, consumer_thread, NULL);
if (ret) {
fprintf(stderr, "pthread_create error: %s\n", strerror(ret));
exit(-1);
}
for(;;){
pthread_mutex_lock(&mutex); //上锁
g_avail++; //生产
pthread_mutex_unlock(&mutex); //解锁
}
exit(0);
}

分析:上述代码虽然可行,但由于新线程中会不停的循环检查全局变量 g_avail 是否大于 0,故而造成 CPU 资 源的浪费。采用条件变量这一问题就可以迎刃而解。

第二:条件变量初始化方法

    条件变量使用pthread_cond_t数据类型来表示,在使用条件变量之前必须对其进行初始化。

    pthread_cond_init()函数原型如下所示:

#include <pthread.h>
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr);

   同样,使用这些函数需要包含头文件<pthread.h>,使用pthread_cond_init()函数初始化条件变量,当不再使用时,使用pthread_cond_destroy()销毁条件变量。

      参数cond指向pthread_cond_t条件变量对象,对于pthread_cond_init()函数,类似于互斥锁,在初始化 条件变量时设置条件变量的属性,参数 attr 指向一个 pthread_condattr_t 类型对象,pthread_condattr_t 数据类 型用于描述条件变量的属性。可将参数 attr 设置为 NULL,表示使用属性的默认值来初始化条件变量,与使 用 PTHREAD_COND_INITIALIZER 宏相同。

      函数调用成功返回0,失败将返回一个非0值的错误码。

使用注意:

1、在使用条件变量之前必须对条件变量进行初始化操作,使用 PTHREAD_COND_INITIALIZER 宏或 者函数 pthread_cond_init()都行;

2、对已经初始化的条件变量再次进行初始化,将可能会导致未定义行为;

3、对没有进行初始化的条件变量进行销毁,也将可能导致未定义行为;

4、对某个条件变量而言,仅当没有任何线程等待它时,将其销毁才是最安全

第三​:通知和等待条件变量

    条件变量的主要操作便是发送信号(signal)和等待。发送信号操作即是通知一个或多个处于等待状态的线程,某个共享变量的状态已经改变,这些处于等待状态的线程收到通知之后便会被唤醒,唤醒之后再检 查条件是否满足。等待操作是指在收到一个通知前一直处于阻塞状态。

     函数pthread_cond_signal()和pthread_cond_broadcast()均可向指定的条件变量发送信号,通知一个或多个处于等待状态的线程。调用pthread_cond_wait()函数是线程阻塞,直到收到条件变量的通知。

     pthread_cond_signal()和 pthread_cond_broadcast()函数原型如下所示:

#include <pthread.h>
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

      当程序当中使用条件变量,当判断某个条件不满足时,调用 pthread_cond_wait()函数将线程设置为等待 状态(阻塞)。pthread_cond_wait()函数包含两个参数:

#include <pthread.h>
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);

    cond:指向需要等待的条件变量,目标条件变量; 

    mutex:参数 mutex 是一个 pthread_mutex_t 类型指针,指向一个互斥锁对象;前面开头便给大家介绍 了,条件变量通常是和互斥锁一起使用,因为条件的检测(条件检测通常是需要访问共享资源的)是在互斥 锁的保护下进行的,也就是说条件本身是由互斥锁保护的。

返回值:调用成功返回 0;失败将返回一个非 0 值的错误码。

在 pthread_cond_wait()函数内部会对参数 mutex 所指定的互斥锁进行操作,通常情况下,条件判断以及 pthread_cond_wait()函数调用均在互斥锁的保护下,也就是说,在此之前线程已经对互斥锁加锁了。调用 pthread_cond_wait()函数时,调用者把互斥锁传递给函数,函数会自动把调用线程放到等待条件的线程列表 上,然后将互斥锁解锁;当 pthread_cond_wait()被唤醒返回时,会再次锁住互斥锁。

代码实例:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
static pthread_mutex_t mutex; //定义互斥锁
static pthread_cond_t cond; //定义条件变量
static int g_avail = 0; //全局共享资源
/* 消费者线程 */
static void *consumer_thread(void *arg)
{
for ( ; ; ) {
pthread_mutex_lock(&mutex);//上锁
while (0 >= g_avail)
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);//等待条件满足
while (0 < g_avail)
g_avail--; //消费
pthread_mutex_unlock(&mutex);//解锁
}
return (void *)0;
}
/* 主线程(生产者) */
int main(int argc, char *argv[])
{
pthread_t tid;
int ret;
/* 初始化互斥锁和条件变量 */
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
pthread_cond_init(&cond, NULL);
/* 创建新线程 */
ret = pthread_create(&tid, NULL, consumer_thread, NULL);
if (ret) {
fprintf(stderr, "pthread_create error: %s\n", strerror(ret));
exit(-1);
}
for ( ; ; ) {
pthread_mutex_lock(&mutex);//上锁
g_avail++; //生产
pthread_mutex_unlock(&mutex);//解锁
pthread_cond_signal(&cond);//向条件变量发送信号
}
exit(0);
}

    全局变量 g_avail 作为主线程和新线程之间的共享资源,两个线程在访问它们之间首先会对互斥锁进行 上锁,消费者线程中,当判断没有产品可被消费时(g_avail <= 0),调用 pthread_cond_wait()使得线程陷入 等待状态,等待条件变量,等待生产者制造产品;调用 pthread_cond_wait()后线程阻塞并解锁互斥锁;而在 生产者线程中,它的任务是生产产品(使用g_avail++来模拟),产品生产完成之后,调用pthread_mutex_unlock() 将互斥锁解锁,并调用 pthread_cond_signal()向条件变量发送信号;这将会唤醒处于等待该条件变量的消费 者线程,唤醒之后再次自动获取互斥锁,然后再对产品进行消费(g_avai--模拟)。

总结:Linux系统中为了方便线程对共享资源的访问,条件变量在其中也会发挥重要作用。

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