线程同步在Linux系统编程中的应用

同步概念 所谓同步，即同时起步，协调一致。不同的对象，对“同步”的理解方式略有不同。如，设备同步，是指在两个设备之间规定一个共同的时间参考；数据库同步，是指让两个或多个数据库内容保持一致，或者按需要部分保持一致；文件同步，是指让两个或多个文件夹里的文件保持一致。等等 而，编程中、通信中所说的同步与生活中大家印象中的同步概念略有差异。“同”字应是指协同、协助、互相配合。主旨在协同步调，按预定的先后次序运行。 线程同步 同步即协同步调，按预定的先后次序运行。 线程同步，指一个线程发出某一功能调用时，在没有得到结果之前，该调用不返回。同时其它线程为保证数据一致性，不能调用该功能。 举例1： 银行存款 5000。柜台，折：取3000；提款机，卡：取 3000。剩余：2000 举例2： 内存中100字节，线程T1欲填入全1， 线程T2欲填入全0。但如果T1执行了50个字节失去cpu，T2执行，会将T1写过的内容覆盖。当T1再次获得cpu继续 从失去cpu的位置向后写入1，当执行结束，内存中的100字节，既不是全1，也不是全0。 产生的现象叫做“与时间有关的错误”(time related)。为了避免这种数据混乱，线程需要同步。 “同步”的目的，是为了避免数据混乱，解决与时间有关的错误。实际上，不仅线程间需要同步，进程间、信号间等等都需要同步机制。 因此，所有“多个控制流，共同操作一个共享资源”的情况，都需要同步。 数据混乱原因： 1. 资源共享（独享资源则不会） 2. 调度随机（意味着数据访问会出现竞争） 3. 线程间缺乏必要的同步机制。 以上3点中，前两点不能改变，欲提高效率，传递数据，资源必须共享。只要共享资源，就一定会出现竞争。只要存在竞争关系，数据就很容易出现混乱。 所以只能从第三点着手解决。使多个线程在访问共享资源的时候，出现互斥。 互斥量mutex Linux中提供一把互斥锁mutex（也称之为互斥量）。 每个线程在对资源操作前都尝试先加锁，成功加锁才能操作，操作结束解锁。 资源还是共享的，线程间也还是竞争的， 但通过“锁”就将资源的访问变成互斥操作，而后与时间有关的错误也不会再产生了。 但，应注意：同一时刻，只能有一个线程持有该锁。 当A线程对某个全局变量加锁访问，B在访问前尝试加锁，拿不到锁，B阻塞。C线程不去加锁，而直接访问该全局变量，依然能够访问，但会出现数据混乱。 所以，互斥锁实质上是操作系统提供的一把“建议锁”（又称“协同锁”），建议程序中有多线程访问共享资源的时候使用该机制。但，并没有强制限定。 因此，即使有了mutex，如果有线程不按规则来访问数据，依然会造成数据混乱。 主要应用函数： pthread_mutex_init函数 pthread_mutex_destroy函数 pthread_mutex_lock函数 pthread_mutex_trylock函数 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_t 类型，其本质是一个结构体。为简化理解，应用时可忽略其实现细节，简单当成整数看待。 pthread_mutex_t mutex; 变量mutex只有两种取值1、0。 pthread_mutex_init函数 初始化一个互斥锁(互斥量) ---> 初值可看作1 int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr); 参1：传出参数，调用时应传 &mutex 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 参2：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)。 参APUE.12.4同步属性 1. 静态初始化：如果互斥锁 mutex 是静态分配的（定义在全局，或加了static关键字修饰），可以直接使用宏进行初始化。e.g. pthead_mutex_t muetx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; 2. 动态初始化：局部变量应采用动态初始化。e.g. pthread_mutex_init(&mutex, NULL) 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。可理解为将mutex--（或-1） int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); pthread_mutex_unlock函数 解锁。可理解为将mutex ++（或+1） 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); 加锁与解锁 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。 例如：T1 T2 T3 T4 使用一把mutex锁。T1加锁成功，其他线程均阻塞，直至T1解锁。T1解锁后，T2 T3 T4均被唤醒，并自动再次尝试加锁。 可假想mutex锁 init成功初值为1。 lock 功能是将mutex--。 unlock将mutex++ lock与trylock： 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。 加锁步骤测试： 看如下程序：该程序是非常典型的，由于共享、竞争而没有加任何同步机制，导致产生于时间有关的错误，造成数据混乱： #include #include #include 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; } 【mutex.c】 【练习】：修改该程序，使用mutex互斥锁进行同步。 1. 定义全局互斥量，初始化init(&m, NULL)互斥量，添加对应的destry 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。 5. main 中加pthread_cancel()将子线程取消。 【pthrd_mutex.c】 结论： 在访问共享资源前加锁，访问结束后立即解锁。锁的“粒度”应越小越好。 死锁 1. 线程试图对同一个互斥量A加锁两次。 2. 线程1拥有A锁，请求获得B锁；线程2拥有B锁，请求获得A锁 【作业】：编写程序，实现上述两种死锁现象。 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。 读写锁状态： 一把读写锁具备三种状态： 1. 读模式下加锁状态 (读锁) 2. 写模式下加锁状态 (写锁) 3. 不加锁状态 读写锁特性： 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 读写锁也叫共享-独占锁。当读写锁以读模式锁住时，它是以共享模式锁住的；当它以写模式锁住时，它是以独占模式锁住的。写独占、读共享。 读写锁非常适合于对数据结构读的次数远大于写的情况。 主要应用函数： 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 以上7 个函数的返回值都是：成功返回0， 失败直接返回错误号。 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); 参2：attr表读写锁属性，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_wrlock函数 以写方式请求读写锁。（常简称为：请求写锁） int pthread_rwlock_wrlock(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_