linux C多线程编程

同步与互斥概念：https://www.cnblogs.com/lonelycatcher/archive/2011/12/20/2294161.html
 
同步与互斥技术
1.简单的互斥锁：
 pthread_mutex_lock(&mutex);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
lock与unlock之间的代码是绑定执行的，执行过程中同进程的其它线程不能lock成功（期间其它线程的不涉及被保护资源的代码还是可以执行），只保护资源，负责线程间互斥。
假设洗澡的过程是上锁，洗澡，解锁，下一个人在已经上锁的状态下无法再次上锁成功，因此只能阻塞等待。
 
2.信号量：
sem_init(&mutex, 0 ,1);//初始化mutex信号量为1
sem_wait(&mutex);//mutex信号量进行P操作
sem_post(&mutex);//mutex信号量进行V操作
  • int sem_destroy(sem_t *sem);,其中sem是要销毁的信号量。只有用sem_init初始化的信号量才能用sem_destroy销毁。
  • int sem_wait(sem_t *sem);等待信号量，如果信号量的值大于0,将信号量的值减1,立即返回。如果信号量的值为0,则线程阻塞。相当于P操作。成功返回0,失败返回-1。
  • int sem_post(sem_t *sem); 释放信号量，让信号量的值加1。相当于V操作。
用于保护有限个资源的线程间互斥，想象澡堂等候，不排队，谁先拿到钥匙谁进去洗。
 
3.条件变量
 
在thread_cond_wait()之前,必须先lock相关联的mutex, 因为假如目标条件未满足, pthread_cond_wait()实际上会unlock该mutex, 然后block,在目标条件满足后再重新lock该mutex, 然后返回.条件变量用于线程间的变量同步。
比喻：洗澡的过程仍为上锁，洗澡，解锁，
但有一个人要求比较苛刻，必须要有肥皂（条件），它上锁进去后发现没肥皂，就又解锁出来了，并且告诉后面的人什么时候看到肥皂了给他发个信号（变量），于是后面的人继续洗，等一个人洗完后发现肥皂发出信号，等肥皂的人接收到了信号优先进去，同样进去上锁，洗澡，解锁出来。linux中推荐在unlock之前调用signal函数，可以避免出现抢占优先级高的线程现象出现。
 
4.线程间通信
线程之间通过二级指针来传送参数的地址，两个线程之间的通信，传递的数据的生命周期必须是静态的。可以使用全局变量、static修饰的数据、堆里面的数据。
 
信号量用在多线程多任务同步的，一个线程完成了某一个动作就通过信号量告诉别的线程，别的线程再进行某些动作（大家都在semtake的时候，就阻塞在哪里）。而互斥锁是用在多线程多任务互斥的，一个线程占用了某一个资源，那么别的线程就无法访问，直到这个线程unlock，其他的线程才开始可以利用这个资源。比如对全局变量的访问，有时要加锁，操作完了，在解锁。有的时候锁和信号量会同时使用的”也就是说，信号量不一定是锁定某一个资源，而是流程上的概念，比如：有A,B两个线程，B线程要等A线程完成某一任务以后再进行自己下面的步骤，这个任务并不一定是锁定某一资源，还可以是进行一些计算或者数据处理之类。而线程互斥量则是“锁住某一资源”的概念，在锁定期间内，其他线程无法对被保护的数据进行操作。在有些情况下两者可以互换。
 
两者之间的区别:
 
作用域
信号量: 进程间或线程间(linux仅线程间)
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阻塞，直到sem_post释放后value值加一
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
 
成功后否则就阻塞
 
以下是信号灯（量)的一些概念:
 
信号灯与互斥锁和条件变量的主要不同在于”灯”的概念，灯亮则意味着资源可用，灯灭则意味着不可用。如果说后两中同步方式侧重于”等待”操作，即资源不可用的话，信号灯机制则侧重于点灯，即告知资源可用；没有等待线程的解锁或激发条件都是没有意义的，而没有等待灯亮的线程的点灯操作则有效，且能保持灯亮状态。当然，这样的操作原语也意味着更多的开销。
 
信号灯的应用除了灯亮/灯灭这种二元灯以外，也可以采用大于1的灯数，以表示资源数大于1，这时可以称之为多元灯。
 
1． 创建和 注销
 
POSIX信号灯标准定义了有名信号灯和无名信号灯两种，但LinuxThreads的实现仅有无名灯，同时有名灯除了总是可用于多进程之间以外，在使用上与无名灯并没有很大的区别，因此下面仅就无名灯进行讨论。
 
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value)
这是创建信号灯的API，其中value为信号灯的初值，pshared表示是否为多进程共享而不仅仅是用于一个进程。LinuxThreads没有实现多进程共享信号灯，因此所有非0值的pshared输入都将使sem_init()返回-1，且置errno为ENOSYS。初始化好的信号灯由sem变量表征，用于以下点灯、灭灯操作。
 
int sem_destroy(sem_t * sem)
被注销的信号灯sem要求已没有线程在等待该信号灯，否则返回-1，且置errno为EBUSY。除此之外，LinuxThreads的信号灯 注销函数不做其他动作。
 
2． 点灯和灭灯
 
int sem_post(sem_t * sem)
 
点灯操作将信号灯值原子地加1，表示增加一个可访问的资源。
 
int sem_wait(sem_t * sem)
int sem_trywait(sem_t * sem)
 
sem_wait()为等待灯亮操作，等待灯亮（信号灯值大于0），然后将信号灯原子地减1，并返回。sem_trywait()为sem_wait()的非阻塞版，如果信号灯计数大于0，则原子地减1并返回0，否则立即返回-1，errno置为EAGAIN。
 
3． 获取灯值
 
int sem_getvalue(sem_t * sem, int * sval)
 
读取sem中的灯计数，存于*sval中，并返回0。
 
4． 其他
 
sem_wait()被实现为取消点，而且在支持原子”比较且交换”指令的体系结构上，sem_post()是唯一能用于异步信号处理函数的POSIX异步信号 安全的API。
 
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线程同步：何时互斥锁不够，还需要条件变量?
 
假设有共享的资源sum,与之相关联的mutex 是lock_s.假设每个线程对sum的操作很简单的,与sum的状态无关,比如只是sum++.那么只用mutex足够了.程序员只要确保每个线程操作前,取得lock,然后sum++,再unlock即可.每个线程的代码将像这样
add()
{
pthread_mutex_lock(lock_s);
sum++;
pthread_mutex_unlock(lock_s);
}
 
　　如果操作比较复杂,假设线程t0,t1,t2的操作是sum++,而线程t3则是在sum到达100的时候,打印出一条信息,并对sum清零. 这种情况下,如果只用mutex, 则t3需要一个循环,每个循环里先取得lock_s,然后检查sum的状态,如果sum>=100,则打印并清零,然后unlock.如果sum& amp; lt;100,则unlock,并sleep()本线程合适的一段时间.
 
　这个时候,t0,t1,t2的代码不变,t3的代码如下
print()
{
while (1)
{
pthread_mutex_lock(lock_s);
if(sum<100)
{
printf(“sum reach 100!”);
pthread_mutex_unlock(lock_s);
}
else
{
pthread_mutex_unlock(lock_s);
my_thread_sleep(100);
return OK;
}
}
}
 
这种办法有两个问题
1) sum在大多数情况下不会到达100,那么对t3的代码来说,大多数情况下,走的是else分支,只是lock和unlock,然后sleep().这浪费了CPU处理时间.
2) 为了节省CPU处理时间,t3会在探测到sum没到达100的时候sleep()一段时间.这样却又带来另外一个问题,亦即t3响应速度下降.可能在sum到达200的时候,t4才会醒过来.
3) 这样,程序员在设置sleep()时间的时候陷入两难境地,设置得太短了节省不了资源,太长了又降低响应速度.真是难办啊!
 
　　这个时候,condition variable内裤外穿,从天而降,拯救了焦头烂额的你.
 
　　你首先定义一个condition variable.
pthread_cond_t cond_sum_ready=PTHREAD_COND_INITIALIZER;
 
　　t0,t1,t2的代码只要后面加两行,像这样
add()
{
pthread_mutex_lock(lock_s);
sum++;
pthread_mutex_unlock(lock_s);
if(sum>=100)
pthread_cond_signal(&cond_sum_ready);
}
而t3的代码则是
print
{
pthread_mutex_lock(lock_s);
while(sum<100)
pthread_cond_wait(&cond_sum_ready, &lock_s);
printf(“sum is over 100!”);
sum=0;
pthread_mutex_unlock(lock_s);
return OK;
}
 
注意两点:
1) 在thread_cond_wait()之前,必须先lock相关联的mutex, 因为假如目标条件未满足,pthread_cond_wait()实际上会unlock该mutex, 然后block,在目标条件满足后再重新lock该mutex, 然后返回.
2) 为什么是while(sum<100),而不是if(sum<100) ?这是因为在pthread_cond_signal()和pthread_cond_wait()返回之间,有时间差,假设在这个时间差内,还有另外一个线程t4又把sum减少到100以下了,那么t3在pthread_cond_wait()返回之后,显然应该再检查一遍sum的大小.这就是用 while的用意
 
注：
pthread的库不是Linux系统的库，所以在使用gcc或g++进行编译的时候要加上-lpthread ，如：
g++ -o test main.cpp -lpthread
在qt中使用时也要将库添加进去，如果不添加会出现undefined reference错误。添加方法，打开.pro文件，在后面添加一行
注：我用的gmake
LIBS += -lpthread
如果库没包含在默认目录那么就这么加
//库路径：/home/pthreadlib/Pre-built.2/lib
//在QT中指定库的路径：
LIBS += -L/home/pthreadlib/Pre-built.2/lib -lpthread
 
 

posted @ 2018-04-19 12:44  LloydDracarys  阅读(151)  评论(0)    收藏  举报