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＜Linux线程同步＞——《Linux》

news 来源：原创 2024/5/8 20:17:48

1. Linux线程同步

1.1条件变量
当一个线程互斥地访问某个变量时，它可能发现在其它线程改变状态之前，它什么也做不了。
例如一个线程访问队列时，发现队列为空，它只能等待，只到其它线程将一个节点添加到队列中。这种情况就需要用到条件变量。

1.2同步概念与竞态条件

同步：在保证数据安全的前提下，让线程能够按照某种特定的顺序访问临界资源，从而有效避免饥饿问题，叫做同步
竞态条件：因为时序问题，而导致程序异常，我们称之为竞态条件。在线程场景下，这种问题也不难理解

1.3条件变量函数
初始化
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,const pthread_condattr_t*restrictattr);
参数：
 cond：要初始化的条件变量
 attr：NULL
销毁

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond）

等待条件满足
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex);
 参数：
 cond：要在这个条件变量上等待
 mutex：互斥量，后面详细解释
唤醒等待
 int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
 int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <functional>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;

// 定义一个条件变量
pthread_cond_t cond;
// 定义一个互斥锁
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; //当前不用，但是接口需要，所以我们需要留下来
vector<function<void()>> funcs;
void show()
{
    cout << "hello show" << endl;
}
void print()
{
    cout << "hello print" << endl;
}
// 定义全局退出变量
volatile bool quit = false;
void *waitCommand(void *args)
{
    pthread_detach(pthread_self());
    while (!quit)
    {
        // 执行了下面的代码，证明某一种条件不就绪(现在还没有场景)，要我这个线程等待
        // 三个线程，都会进在条件变量下进行排队
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex); //让对应的线程进行等待，等待被唤醒
        for(auto &f : funcs)
        {
            f();
        }
    }
    cout << "thread id: " << pthread_self() << " end..." << endl;
    return nullptr;
}

int main()
{
    funcs.push_back(show);
    funcs.push_back(print);
    funcs.push_back([](){
        cout << "你好世界!" << endl;
    });
    pthread_cond_init(&cond, nullptr);
    pthread_t t1, t2, t3;
    pthread_create(&t1, nullptr, waitCommand, nullptr);
    pthread_create(&t2, nullptr, waitCommand, nullptr);
    pthread_create(&t3, nullptr, waitCommand, nullptr);

    while(true)
    {
        char n = 'a';
        cout << "请输入你的command(n/q): ";
        cin >> n;
        if(n == 'n') pthread_cond_signal(&cond);
        else break;
    }
    //sleep(1);
    cout << "main thread quit!" << endl;
    pthread_cond_destroy(&cond);
    return 0;
}
简单案例：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
pthread_cond_t cond;
pthread_mutex_t mutex;
void *r1(void *arg)
{
    while (1)
    {
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
        printf("活动\n");
    }
}
void *r2(void *arg)
{
    while (1)
    {
        pthread_cond_signal(&cond);
        sleep(1);
    }
}
int main(void)
{
    pthread_t t1, t2;
    pthread_cond_init(&cond, NULL);
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    pthread_create(&t1, NULL, r1, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, r2, NULL);
    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&cond);
}
1.4 为什么pthread_ cond_ wait 需要互斥量?

条件等待是线程间同步的一种手段，如果只有一个线程，条件不满足，一直等下去都不会满足，所以必须要有一个线程通过某些操作，改变共享变量，使原先不满足的条件变得满足，并且友好的通知等待在条件变量上的线程。
条件不会无缘无故的突然变得满足了，必然会牵扯到共享数据的变化。所以一定要用互斥锁来保护。没有互斥锁就无法安全的获取和修改共享数据。
按照上面的说法，我们设计出如下的代码：先上锁，发现条件不满足，解锁，然后等待在条件变量上不就行了，如下代码 :
// 错误的设计
pthread_mutex_lock(&mutex);
while (condition_is_false)
{
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
      //解锁之后，等待之前，条件可能已经满足，信号已经发出，但是该信号可能被错过
        pthread_cond_wait(&cond);
    pthread_mutex_lock(&mutex);
}
pthread_mutex_unlock(&mutex);
由于解锁和等待不是原子操作。调用解锁之后，pthread_ cond_ wait之前，如果已经有其他线程获取到互斥量，摒弃条件满足，发送了信号，那么pthread_ cond_ wait将错过这个信号，可能会导致线程永远阻塞在这个 pthread_ cond_ wait 。所以解锁和等待必须是一个原子操作。
int pthread_cond_wait(pthread_cond_ t *cond,pthread_mutex_ t * mutex); 进入该函数后，会去看条件量等于0不？等于，就把互斥量变成1，直到cond_ wait返回，把条件量改成1，把互斥量恢复成原样。
1.5 条件变量使用规范
等待条件代码
 pthread_mutex_lock(&mutex);
 while (条件为假）
 pthread_cond_wait(cond, mutex);
 修改条件
 pthread_mutex_unlock(&mutex);
给条件发送信号代码
pthread_mutex_lock(&mutex);
 设置条件为真
 pthread_cond_signal(cond);
 pthread_mutex_unlock(&mutex);