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线程同步:互斥锁,条件变量,信号量

2014-04-24 23:28 by Loull, ... 阅读, ... 评论, 收藏, 编辑

线程同步

为允许在线程或进程间共享数据,同步通常是必须的。常见的同步方式有:互斥锁、条件变量、读写锁、信号量。另外,对于进程间的同步,也可以通过进程间通信的方式进行同步,包括管道(无名管道、有名管道)、信号量、消息队列、共享内存、远程过程调用,当然也可以通过Socket来进行网络控制。

一.  互斥锁和条件变量是同步的基本组成部分

  互斥锁和条件变量出自Posix.1线程标准,多用来同步一个进程中各个线程。但如果将二者存放在多个进程间共享的内存区中,它们也可以用来进行进程间的同步。

1. 互斥锁

  用于保护临界区,以保护任何时刻只有一个线程在执行其中的代码,其大体轮廓大体如下:

  lock_the_mutex(...);

  临界区

  unlock_the_mutex(...);

  下列三个函数给一个互斥锁上锁和解锁:

  #include <pthread.h>

  int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mptr);  //若不能立刻获得锁,将阻塞在此处

  int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mptr);  //若不能立刻获得锁,将返回EBUSY,用户可以根据此返回值做其他操作,非阻塞模式

  int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mptr);  //释放锁

  互斥锁通常用于保护由多个线程或多个进程分享的共享数据(Share Data)

2.  条件变量(线程之间同步)

  它是发送信号与等待信号。互斥锁用户上锁,条件变量则用于等待。一般来说,在一个进程/线程中调用pthread_cond_wait(..)等待某个条件的成立,此时该进程阻塞在这里,另外一个进程/线程进行某种操作,当某种条件成立时,调用pthread_cond_signal(...)来发送信号,从而使pthread_cond_wait(...)返回。此处要注意的是,这里所谈到的信号,不是系统级别的SIGXXXX信号,只是用信号这个词语更容易理解。条件变量与信号量更接近或者就可以认为是信号量。

  下列两个函数用来对条件变量进行控制:

  #include <pthread.h>

  int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cptr, pthread_mutex_t *mptr);

  int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cptr);

  由代码我们可以看出,条件变量的使用是需要结合锁机制的,即上面所提到的互斥锁。也就是说,一个进程/线程要等到临界区的共享数据达到某种状态时再进行某种操作,而这个状态的成立,则是由另外一个进程/线程来完成后发送信号来通知的。

  其实想一想,pthread_cond_wait函数也可以用一个while死循环来等待条件的成立,但要注意的是,使用while死循环会严重消耗CPU,而pthread_cond_wait则是采用线程睡眠的方式,它是一种等待模式,而不是一直的检查模式。

  总的来说,给条件变量发送信号的代码大体如下:

  pthread_mutex_lock(&mutex);

  设置条件为真

  pthread_mutex_unlock(&mutex);  

      pthread_cond_signal(&cond);  //发送信号

  等待条件并进入睡眠以等待条件变为真的代码大体如下:

  pthread_mutex_lock(&mutex); 

  while(条件为假)

    pthread_cond_wait(&cond,&mutex);  

  执行某种操作

  pthread_mutex_unlock(&mutex);

  在这里需要注意的是,pthread_cond_wait(&cond,&mutex)是一个原子操作,当它执行时,首先对mutex解锁,这样另外的线程才能得到锁来修改条件,pthread_cond_wait解锁后,再将本身的线程/进程投入睡眠,另外,当该函数返回时,会再对mutex进行加锁,这样才能“执行某种操作”后unlock锁

 

二、 信号量

  英文:semaphore,它是一种专门用于提供不同进程间或线程间同步手段的原语。可以通过下图来理解它。

        进程A                               进程B

          \          /

     进程    \         /

        ----------------------------------------------------

     内核      \      /

              信号量

  也就是说,信号量是由内核来维护的,他独立出进程。因此可以通过它来进行同步

  上图一般来说,是基于Posix有名信号量,可以认为它是系统中的一个特殊文件(因为在Linux中,一切都可以认为是文件),因为在进程间的通信、同步中用的比较多,如果是线程之间的同步,经常用基于Posix内存的信号量。(基于内存的信号量必须在创建时指定是否在进程间共享,有名信号量随内核有持续性,需手工删除,而基于内存的信号量具有随进程的持续性)

  对于信号量的工作原理,其实和互斥锁+条件变量相似

  主要函数有:sem_open、sem_close、sem_unlink,这里要注意,close只是关闭信号量,但并未从系统中删除,而unlink是删除该信号量。

  sem_wait和sem_trywait函数,他们和pthread_cond_wait功能相似,都是等待某个条件的成立,sem_wait和sem_trywait的区别是,当所指定的信号量的值为0时,后者并不将调用者投入睡眠,而是立刻返回EAGAIN,即重试。

  sem_post和sem_getvalue函数,sem_post将指定的信号量加一,然后唤醒正在等待该信号量值变为正数的任意线程。sem_getvalue是用来获取当前信号量值的函数。

 

三、互斥锁、条件变量、信号量三者的差别:

  (1) 互斥锁必须总是由给他上锁的线程解锁(因为此时其他线程根本得不到此锁),信号量没有这种限制:一个线程等待某个信号量,而另一个线程可以挂出该信号量

  (2)每个信号量有一个与之关联的值,挂出时+1,等待时-1,那么任何线程都可以挂出一个信号,即使没有线程在等待该信号量的值。不过对于条件变量来说,如果pthread_cond_signal之后没有任何线程阻塞在pthread_cond_wait上,那么此条件变量上的信号丢失。

  (3)在各种各样的同步技巧中,能够从信号处理程序中安全调用的唯一函数是sem_post

作用域
  信号量: 进程间或线程间(linux仅线程间的无名信号量pthread semaphore)
  互斥锁: 线程间

上锁时 
  信号量: 只要信号量的value大于0,其他线程就可以sem_wait成功,成功后信号量的value减一。若value值不大于0,则sem_wait使得线程阻塞,直到sem_post释放后value值加一,但是sem_wait返回之前还是会将此value值减一
  互斥锁: 只要被锁住,其他任何线程都不可以访问被保护的资源

 

四、基本概念

1、Mutex(互斥量)

  互斥锁(Mutex,Mutual Exclusive Lock),获得锁的线程可以完成“读-修改-写”的操作,然后释放锁给其它线程,没有获得锁的线程只能等待而不能访问共享数据,这样“读-修改-写”三步操作组成一个原子操作

  Mutex用pthread_mutex_t类型的变量表示。

  对Mutex变量的读取、判断和修改不是原子操作。如果两个线程同时调用lock,这时Mutex是1,两个线程都判断mutex>0成立,然后其中一个线程置mutex=0,而另一个线程并不知道这一情况,也置mutex=0,于是两个线程都以为自己获得了锁。

  为了实现互斥锁操作,大多数体系结构都提供了swapexchange指令,该指令的作用是把寄存器和内存单元的数据相交换,由于只有一条指令,保证了原子性,即使是多处理器平台,访问内存的总线周期也有先后,一个处理器上的交换指令执行时另一个处理器的交换指令只能等待总线周期。

 

2、Condition Variable(条件变量)

  线程间的同步还有这样一种情况:线程A需要等某个条件成立才能继续往下执行,现在这个条件不成立,线程A就阻塞等待,而线程B在执行过程中使这个条件成立了,就唤醒线程A继续执行。在pthread库中通过条件变量(Condition Variable)来阻塞等待一个条件,或者唤醒等待这个条件的线程。Condition Variable用pthread_cond_t类型的变量表示。

  一个Condition Variable总是和一个Mutex搭配使用的。一个线程可以调用pthread_cond_wait在一个Condition Variable上阻塞等待。

  采用条件变量控制线程同步,最为经典的例子要数生产者和消费者问题。

 

3、semaphore(信号量)

  很显然,pthread中的条件变量与Java中的wait,notify类似

  Mutex变量是非0即1的,可看作一种资源的可用数量,初始化时Mutex是1,表示有一个可用资源,加锁时获得该资源,将Mutex减到0,表示不再有可用资源,解锁时释放该资源,将Mutex重新加到1,表示又有了一个可用资源。

  信号量(Semaphore)和Mutex类似,表示可用资源的数量,和Mutex不同的是这个数量可以大于1。

  本文介绍的是POSIX semaphore库函数),这种信号量不仅可用于同一进程的线程间同步,也可用于不同进程间的同步。

  semaphore变量的类型为sem_t,sem_init()初始化一个semaphore变量,value参数表示可用资源的数量,pshared参数为0表示信号量用于同一进程的线程间同步,本节只介绍这种情况。在用完semaphore变量之后应该调用sem_destroy()释放与semaphore相关的资源。

  调用sem_wait()可以获得资源,使semaphore的值减1,如果调用sem_wait()时semaphore的值已经是0,则挂起等待。如果不希望挂起等待,可以调用sem_trywait()。调用sem_post()可以释放资源,使semaphore的值加1,同时唤醒挂起等待的线程。

本质上,信号量实现了互斥量+条件变量的功能

 

 

Reference

线程同步、条件变量、互斥锁的使用

线程同步:何时互斥锁不够,还需要条件变量?

http://islub.diandian.com/post/2012-06-28/40042085746