互斥锁、读写锁、条件变量、信号量的理解
互斥锁
互斥锁：所有操作者地位等价，所有操作共享资源的方式在地位上是等价的，实现共享资源任意操作的同步。
/*
互斥量的类型 pthread_mutex_t
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
- 初始化互斥量
- 参数 ：
- mutex ： 需要初始化的互斥量变量
- attr ： 互斥量相关的属性，NULL
- restrict : C语言的修饰符，被修饰的指针，不能由另外的一个指针进行操作。
pthread_mutex_t *restrict mutex = xxx;
pthread_mutex_t * mutex1 = mutex;
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
- 释放互斥量的资源
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
- 加锁，阻塞的，如果有一个线程加锁了，那么其他的线程只能阻塞等待
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
- 尝试加锁，如果加锁失败，不会阻塞，会直接返回。
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
- 解锁
*/
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
// 全局变量，所有的线程都共享这一份资源。
int tickets = 1000;
// 创建一个互斥量
pthread_mutex_t mutex;
void * sellticket(void * arg) {
// 卖票
while(1) {
// 加锁
pthread_mutex_lock(&mutex);
if(tickets > 0) {
usleep(6000);
printf("%ld 正在卖第 %d 张门票\n", pthread_self(), tickets);
tickets--;
}else {
// 解锁
pthread_mutex_unlock(&mutex);
break;
}
// 解锁
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
return NULL;
}
int main() {
// 初始化互斥量
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
// 创建3个子线程
pthread_t tid1, tid2, tid3;
pthread_create(&tid1, NULL, sellticket, NULL);
pthread_create(&tid2, NULL, sellticket, NULL);
pthread_create(&tid3, NULL, sellticket, NULL);
// 回收子线程的资源,阻塞
pthread_join(tid1, NULL);
pthread_join(tid2, NULL);
pthread_join(tid3, NULL);
pthread_exit(NULL); // 退出主线程
// 释放互斥量资源
pthread_mutex_destroy(&mutex);
return 0;
}
读写锁
读写锁：所有操作者地位等价，所有操作共享资源的方式是不等价的，且只划分成了两种地位的操作形式，一种是读操作，一种是写操作。例如张三和李四，无论是谁，都是人，但是可以读和写，无论谁，写操作邮件及更高。读写操作优先级不同，写的优先级更高。同时读写操作时对应两把不同的锁，导致读写操作对待不同锁的权限不同。
/*
读写锁的类型 pthread_rwlock_t
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
案例：8个线程操作同一个全局变量。
3个线程不定时写这个全局变量，5个线程不定时的读这个全局变量
*/
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
// 创建一个共享数据
int num = 1;
// pthread_mutex_t mutex;
pthread_rwlock_t rwlock;
void * writeNum(void * arg) {
while(1) {
pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
num++;
printf("++write, tid : %ld, num : %d\n", pthread_self(), num);
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
usleep(100);
}
return NULL;
}
void * readNum(void * arg) {
while(1) {
pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
printf("===read, tid : %ld, num : %d\n", pthread_self(), num);
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
usleep(100);
}
return NULL;
}
int main() {
pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);
// 创建3个写线程，5个读线程
pthread_t wtids[3], rtids[5];
for(int i = 0; i < 3; i++) {
pthread_create(&wtids[i], NULL, writeNum, NULL);
}
for(int i = 0; i < 5; i++) {
pthread_create(&rtids[i], NULL, readNum, NULL);
}
// 设置线程分离
for(int i = 0; i < 3; i++) {
pthread_detach(wtids[i]);
}
for(int i = 0; i < 5; i++) {
pthread_detach(rtids[i]);
}
pthread_exit(NULL);
pthread_rwlock_destroy(&rwlock);
return 0;
}
条件变量
条件变量：只能配合互斥锁用。操作者地位不等价，但操作方式是等价的，即无论是哪个操作者执行什么操作，对应的操作都必须用互斥量加锁同步。例如张三和李四，张三是买家李四是卖家，李四没东西了张三又想买就只能等待，但是无论张三买东西还是李四卖东西，具体行为都等价，没有优先级顺序。但是操作者地位不等价，例如生产者与消费者关系。如果消费者将资源消费完，就必须等待生产者生产出新的资源，并通知消费者，消费者才能继续消费。这个过程通过条件变量来控制，但资源消费结束，消费者会通过条件变量提供的方法陷入阻塞，一直等待到生产者生产出资源；而生产者生产出新资源也会唤醒消费者继续消费。被唤醒后的消费者便拥有了和生产者一样的地位，互斥进行各自操作，一直到下一次资源消费结束。
/*
条件变量的类型 pthread_cond_t
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);
- 等待，调用了该函数，线程会阻塞。;//在该函数内部，开头会先解锁，返回时再加锁。
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime);
- 等待多长时间，调用了这个函数，线程会阻塞，直到指定的时间结束。
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
- 唤醒一个或者多个等待的线程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
- 唤醒所有的等待的线程
*/
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
// 创建一个互斥量
pthread_mutex_t mutex;
// 创建条件变量
pthread_cond_t cond;
struct Node{
int num;
struct Node *next;
};
// 头结点
struct Node * head = NULL;
void * producer(void * arg) {
// 不断的创建新的节点，添加到链表中
while(1) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
struct Node * newNode = (struct Node *)malloc(sizeof(struct Node));
newNode->next = head;
head = newNode;
newNode->num = rand() % 1000;
printf("add node, num : %d, tid : %ld\n", newNode->num, pthread_self());
// 只要生产了一个，就通知消费者消费
pthread_cond_signal(&cond);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
usleep(100);
}
return NULL;
}
void * customer(void * arg) {
while(1) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
// 保存头结点的指针
struct Node * tmp = head;
// 判断是否有数据
if(head != NULL) {
// 有数据
head = head->next;
printf("del node, num : %d, tid : %ld\n", tmp->num, pthread_self());
free(tmp);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
usleep(100);
} else {
// 没有数据，需要等待
// 当这个函数调用阻塞的时候，会对互斥锁进行解锁，当不阻塞的，继续向下执行，会重新加锁。
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
}
return NULL;
}
int main() {
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
pthread_cond_init(&cond, NULL);
// 创建5个生产者线程，和5个消费者线程
pthread_t ptids[5], ctids[5];
for(int i = 0; i < 5; i++) {
pthread_create(&ptids[i], NULL, producer, NULL);
pthread_create(&ctids[i], NULL, customer, NULL);
}
for(int i = 0; i < 5; i++) {
pthread_detach(ptids[i]);
pthread_detach(ctids[i]);
}
while(1) {
sleep(10);
}
pthread_mutex_destroy(&mutex);
pthread_cond_destroy(&cond);
pthread_exit(NULL);
return 0;
}
信号量
信号量：信号量可以用来当成有约束的条件变量，约束就在于使用条件变量时，生产者可以一直生产，无论消费者消费多少，即使消费者一直不消费，生产者已经生产了巨量的资源，生产者还是会继续生产。这会导致资源的堆积膨胀的问题，生产者一直生产，消费者却来不及消费，导致资源越聚越多。想要解决这个问题，必须同时约束生产者与消费者两方、当消费者将资源消费到0时，消费者停止消费；当生产者生产的资源实时剩余量增加到一定程度时，生产者停止生产。例如为生产者设置一个信号量sem_t psem;为消费者设置一个信号量sem_t csem;每次开始生产将生产者可以生产的剩余可生产数量减1，生产结束将消费者的剩余可消费数量加1；每次开始消费将可消费数量减一，每次消费结束将可生产数量加一。
但是信号量可以单独使用，而条件变量必须配合互斥锁使用，信号量可以当成互斥量使用，互斥量可以看成特殊的信号量，也就是sem范围只有0,1的信号量。
/*
信号量的类型 sem_t
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
- 初始化信号量
- 参数：
- sem : 信号量变量的地址
- pshared : 0 用在线程间 ，非0 用在进程间
- value : 信号量中的值
int sem_destroy(sem_t *sem);
- 释放资源
int sem_wait(sem_t *sem);
- 对信号量加锁，调用一次对信号量的值-1，如果值为0，就阻塞
int sem_trywait(sem_t *sem);
int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);
int sem_post(sem_t *sem);
- 对信号量解锁，调用一次对信号量的值+1
int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);
sem_t psem;
sem_t csem;
init(psem, 0, 8);
init(csem, 0, 0);
producer() {
sem_wait(&psem);
sem_post(&csem)
}
customer() {
sem_wait(&csem);
sem_post(&psem)
}
*/
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <semaphore.h>
// 创建一个互斥量
pthread_mutex_t mutex;
// 创建两个信号量
sem_t psem;
sem_t csem;
struct Node{
int num;
struct Node *next;
};
// 头结点
struct Node * head = NULL;
void * producer(void * arg) {
// 不断的创建新的节点，添加到链表中
while(1) {
sem_wait(&psem);
pthread_mutex_lock(&mutex);
struct Node * newNode = (struct Node *)malloc(sizeof(struct Node));
newNode->next = head;
head = newNode;
newNode->num = rand() % 1000;
printf("add node, num : %d, tid : %ld\n", newNode->num, pthread_self());
pthread_mutex_unlock(&mutex);
sem_post(&csem);
}
return NULL;
}
void * customer(void * arg) {
while(1) {
sem_wait(&csem);
pthread_mutex_lock(&mutex);
// 保存头结点的指针
struct Node * tmp = head;
head = head->next;
printf("del node, num : %d, tid : %ld\n", tmp->num, pthread_self());
free(tmp);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
sem_post(&psem);
}
return NULL;
}
int main() {
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
sem_init(&psem, 0, 8);
sem_init(&csem, 0, 0);
// 创建5个生产者线程，和5个消费者线程
pthread_t ptids[5], ctids[5];
for(int i = 0; i < 5; i++) {
pthread_create(&ptids[i], NULL, producer, NULL);
pthread_create(&ctids[i], NULL, customer, NULL);
}
for(int i = 0; i < 5; i++) {
pthread_detach(ptids[i]);
pthread_detach(ctids[i]);
}
while(1) {
sleep(10);
}
pthread_mutex_destroy(&mutex);
pthread_exit(NULL);
return 0;
}
对信号量理解的初始版本：信号量相当于有约束的条件变量，约束就在于使用条件变量时，生产者可以一直生产，无论消费者消费多少，即使消费者一直不消费，生产者已经生产了巨量的资源，生产者还是会继续生产。这会导致资源的堆积膨胀的问题，生产者一直生产，消费者却来不及消费，导致资源越聚越多。想要解决这个问题，就需要约束生产者生产的资源数量和消费者的消费资源数量，使其能够动态平衡在一个数量上。例如限制资源最大值为10，平衡值为7，也就是说当生产者生产的资源堆积了10个，而消费者还未来得及消费时，让生产者停工，等待消费者消费，当消费到了平衡值7时，生产者开始继续生产。
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