Linux 多线程编程(二)2019-08-10

多线程之间的通信方式

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.

POSIX信号量

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.
\color{blue}{信号量相关函数}

#include<semaphore.h>
int sem_init(sem_t* sem,int phshared,unsigned int value);
//初始化一个未命名的信号量

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.

int sem_destroy(sem_t* sem);
//销毁信号量
int sem_wait(sem_t* sem);
//相当于加锁操作
Int sem_trywait(sem_t* sem);
//相当于尝试加锁
int sem_post(sen_t* sem);
//相当于解锁

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.
\color{blue}{经典实例应用}
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;

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<string.h>
#include<pthread.h>
#include<semaphore.h>

sem_t producer_s;
sem_t customer_s;
//采用头插法实现数据的共享
typedef struct node
{
    int data;
    struct node* next;
}Node;

Node* head = NULL;

void* producer(void* arg)
{
    while(1)
    {
        sem_wait(&producer_s);   //producer==0时阻塞
        Node* node=(Node*)malloc(sizeof(Node));
        node->data=rand()%1000;
        printf(node->data);
        node->next=head;
        head=node;
        printf("===========producer:%ld,%ld\n",pthread_self(),node->data);

        sem_post(&customer_s); //通知消费者
        sleep(rand()%5);
    }
    return NULL;
}
void* customer(void* arg)
{
    while(1)
    {

        sem_wait(&customer_s);
        if(head == NULL)
        {
            printf("hhy");
        }
        Node* del=head;
        head = head->next;
        printf("============customer:%d,%ld\n",pthread_self(),del->data);
        free(del);
        sem_post(&producer_s);

        sleep(rand()%5);
    }
    return NULL;
}

int main(int argc,const char* argv[])
{
    pthread_t p;
    pthread_t c;
    //初始化信号量
    sem_init(&producer_s,0,4);
    sem_init(&customer_s,0,0);

    pthread_create(&p,NULL,producer,NULL);
    pthread_create(&c,NULL,customer,NULL);
    
    pthread_join(p,NULL);
    pthread_join(c,NULL);
    sem_destroy(&producer_s);
    sem_destroy(&customer_s);
    return 0;
}

互斥锁

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.
\color{blue}{互斥锁相关函数}

#include <pthread.h>
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *mutexattr);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
    // 两个函数返回值，成功返回0，否则返回错误码

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。

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
    // 成功返回0，否则返回错误码

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.

\color{blue}{互斥锁的应用实例}
三个打印机轮流打印:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t g_mutex;
int g_cnt = 0;
 int loop = 2; //全局变量三个线程之间共享
void *func(void *arg)
{
   
   // int result = *(int*)arg;
    long result = (long)arg;
    while (loop > 0) {
        if (g_cnt % 3 == result) {
            switch (result)
            {
                case 0: {
                    printf("--- a\n");
                    break;
                }
                case 1: {
                    printf("--- b\n");
                    break;
                }
                case 2: {
                    printf("--- c\n");
                    break;
                }
                default: {
                    return NULL;
                }
            }
            pthread_mutex_lock(&g_mutex);
            g_cnt++;
            loop--;
            pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
        }
    }
 return NULL;
}

int main(int argc, char **argv)
{
    pthread_t t1, t2, t3;

    pthread_mutex_init(&g_mutex, NULL);

    pthread_create(&t1, NULL, func, (void *)0);
    pthread_create(&t2, NULL, func, (void *)1);
    pthread_create(&t3, NULL, func, (void *)2);

    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);
    pthread_join(t3, NULL);

    return 0;
}

输出结果:

--- a
--- b
--- c

条件变量

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.
\color{blue}{条件变量相关函数}

#include<pthread.h>
pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr); //初始化条件变量,attr属性参数一般设置为NULL
pthread_cond_destroy(pthread_cont_t *cond); //销毁条件变量
    // 成功返回0，否则返回错误码

#include<pthread.h>
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond); 
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);//通知线程解除阻塞等待
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);
    // 阻塞等待

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.
\color{blue}{经典实例应用}
采用条件变量+互斥锁实现生产者消费者模型:

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<string.h>
#include<pthread.h>

//链表
typedef struct node
{
    int data;
    struct node* next;
}Node;
//定义指针指向链表的头部
Node* head=NULL;
//线程同步  互斥锁
pthread_mutex_t mutex;
//阻塞线程 条件变量
pthread_cond_t cond;
void* producer(void* arg)
{

    while(1)
    {

        Node* pnew=(Node*)malloc(sizeof(Node));
        //节点初始化
        pnew->data=rand()%1000;  //随机数加入队列
        //使用了共享数据head 加锁
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        pnew->next=head;
        head=pnew;
        printf("===========producer:%ld,%ld\n",pthread_self(),pnew->data);

        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        //通知消费者接触阻塞,条件变量
        pthread_cond_signal(&cond); 
        sleep(rand()%3);

    }
    return NULL;
}

void* customer(void* arg)
{
    while(1)
    {

        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if(head==NULL)
        { //线程阻塞
            pthread_cond_wait(&cond,&mutex);  //条件变量
        }

        //链表不为空,则删除一个节点
        Node* pdel=head;
        head=head->next;
        printf("=========customer %ld,%ld\n",pthread_self(),pdel->data);
        free(pdel);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return NULL;

}

int main(int argc,const char* argv[]){
    pthread_t p1;
    pthread_t p2;
    //初始化
    pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
    pthread_cond_init(&cond,NULL);
    //创建生产者线程
    pthread_create(&p1,NULL,producer,NULL);
    //创建消费者线程
    pthread_create(&p2,NULL,customer,NULL);

    //阻塞,资源回收
    pthread_join(p1,NULL);
    pthread_join(p2,NULL);
    //释放互斥锁的资源
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&cond);
    return 0;
}

运行结果:

===========producer:139883611928320,383
=========customer 139883603535616,383
===========producer:139883611928320,777
=========customer 139883603535616,777
===========producer:139883611928320,793
=========customer 139883603535616,793
===========producer:139883611928320,386
=========customer 139883603535616,386
===========producer:139883611928320,649
=========customer 139883603535616,649

阻塞队列+生产者消费者

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <queue>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
class BlockingQueue
{
public:
    BlockingQueue():task_()
    {
        pthread_mutex_init(&mutex_,NULL);
        pthread_cond_init(&cond_,NULL);

    };
    ~BlockingQueue()
    {
        pthread_mutex_destroy(&mutex_);
        pthread_cond_destroy(&cond_);
    };
    void QueueLock()   //加锁
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex_);
    };
    void QueueUnlock()  //解锁
    {
        pthread_mutex_unlock(&mutex_);
    };
    void PutData(const int& x)   //放数据
    {
        QueueLock();
        task_.push(x);
        QueueUnlock();
        std::cout << "product data:" << x << std::endl;
        pthread_cond_signal(&cond_);

    };
    void TakeData()  //拿数据
    {
        QueueLock();
        while(is_empty())
        {
            pthread_cond_wait(&cond_,&mutex_);
        }
        int data = task_.front();
        task_.pop();
        QueueUnlock();
        std::cout << "take data:" << data << std::endl;
    };
    bool is_empty()   //是否为空
    {
        return task_.empty();
    };

private:
    pthread_mutex_t mutex_;
    pthread_cond_t cond_;
    std::queue<int> task_;
};

void *producer(void* arg)
{
    BlockingQueue *pro_task = (BlockingQueue*)arg;  //类型转换
    while(true)
    {
        int data = rand()%100+1;
        pro_task->PutData(data);
        sleep(1);
    }

};

void *customer(void* arg)
{
    BlockingQueue *cus_task = (BlockingQueue*)arg;
    while(1)
    {
        cus_task->TakeData();
    }
};

int main()
{
    BlockingQueue task;
    //创建线程
    pthread_t pro,cus;
    pthread_create(&pro,NULL,producer,(void*)&task);
    pthread_create(&cus,NULL,customer,(void*)&task);

    pthread_join(pro,NULL);
    pthread_join(cus,NULL);

    return 0;
}

运行结果:

product data:84
take data:84
product data:87
take data:87
product data:78
take data:78
product data:16
take data:16
product data:94
take data:94
product data:36
take data:36
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