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Linux线程：编织并发的梦幻世界

news 来源：原创 2024/7/7 17:50:16

🚩引言

🚩听故事，引概念

🚩生产者消费者模型

🚀再次理解生产消费模型

🚀挖掘特点

🚩条件变量

🚀条件变量常用接口

🚀条件变量的原理

🚩引言

上一篇博客，我们集中讨论了Linux线程互斥相关的概念，但随着互斥锁的使用，也容易产生线程饥饿问题，所以我们有必要学习一下Linux线程同步相关的概念。接下来我们开始学习。

🚩听故事，引概念

假设在学校有一个VIP学霸自习室，这个自习室非常的豪华，但是只有一张桌子，一次只能允许一个人去上自习，这个自习室的钥匙就在门口放着，谁离钥匙近，谁就获得钥匙，就可以在利用这个自习室自习。有一天，同学张三为了在自习室中学习，享受那种超棒的学习环境，他早上5点就爬了起来。所以，等到他来到自习室门口时，没有人。他非常高兴的取得了钥匙，开开门，然后把门一反锁，开始自习。一转眼上午了，张三感觉肚子饿了，但他不想放弃他早起得到的机会，于是，他就把门锁上了，然后随身带着钥匙，门口的同学看着他的行为都非常的愤怒，但是又无奈，谁让人家来的早呢！不一会儿，张三吃完饭回来了，开开门，继续上自习。这家伙有闷头学了3个小时，突然肚子痛，要上厕所，他又带着钥匙上厕所。上完之后继续学习。可能学的时间太长了，不想学了，有好几次都开门准备放回钥匙，但每次都想到：下次不知道什么时候才能再次在这里上自习了。他放回钥匙之际，此时，他是离要是最近的人，对钥匙的竞争能力最强，所以他又获得了钥匙即自习室的使用权。张三的行为错了吗？他没错，但是不合理。

门外的同学看见他这么干都非常生气，决定把这个情况反映给值班的老师，老师认为这样就是不太好，决定结束自习的同学要想再次获得自习室的使用权，必须要排队。

张三照常把钥匙放了回去，正当他想伸手再次取得钥匙时，旁边的老师说："去排队去"。张三无奈的去排队去了。心想：“卧槽，失算了，之前不是这样的规则呀”。

听完这个故事，有些问题我们来思考这样几个问题：

按照之前的规则，张三同学反复申请这间自习室的使用权，是建立这间自习室的初衷吗？不是。那对其他同学公平吗？不公平，有的同学可能在门口等了一天，都没有使用到这间自习室。
这间自习室的钥匙就像是一把互斥锁，自习室就像是临界资源，申请这间自习室的使用权的同学就像是不同的执行流。所以，也会发生有的执行流因为竞争能力太强，就像这个同学张三，总是可以获得这把锁，然后进行访问。但是这样就会造成其他的执行流因为竞争不到对应的锁，而处于线程饥饿状态。这种状态是不利于充分利用资源的。在我们之前的抢票的代码中，我们也发现总是那一个执行流在抢票，所以这个问题要解决。而解决方案就是Linux线程同步。就是让执行流按照一定的顺序(不一定是绝对的顺序）来获得访问相关临界资源的权利。

🚩生产者消费者模型

在现实生活中，我们学生就是典型的消费者，而生产者就是工厂。

假设，有一天我想吃火腿肠了，我就跑到一个加工火腿肠的工厂，对那里的工作人员说：“给我加工火腿肠，多少钱，我给你”。工作人员听了我说的话，一定以为我是个傻子。这是因为制作火腿肠需要机器，而打开机器需要成本的，一根火腿肠指定是远远不够的，今天我来了，买了一根火腿肠，给我现场加工了，明天别人来了，又只要一根。我相信这个工厂早晚得倒闭。

所以，在生产者和消费者之间，一定还存在超市这样一个交易场所。超市的作用是集中需求，分发产品，是对生产者生产的商品的临时保存。超市存在的另一个原因是：工厂一般远离消费者，超市的存在可以更加方便消费者消费。

消费者消费吃火腿肠的同时，生产者可能在放假；生产者在生产火腿肠的同时，消费者可能又没有在吃火腿肠。这种行为用计算机术语来形容就是：生产者和消费者实现了解耦。解耦就是互相不干扰的意思。超市在计算机体系中就是共享资源--->消费者需要通过访问超市来获取商品，生产者需要通过访问超市来销售商品。在超市中类似超市这样的作用的区域我们称之为缓冲区。

我们刚刚说：生产者消费者模型实现了生产和消费的解耦。那在我们写代码的过程中，有没有强耦合的代码呢？有的。

最显著的例子就是函数调用。我们认为的函数的过程一般是这个样子的：首先实参通过形参传递给函数，然后经过函数体内部复杂的运算，输出运输的结果。

调用方：生产了数据。
形参变量：暂时保存数据。‘
目标函数：消费了数据。

假如，我们代码中main函数中调用的func函数。我们把数据传给func函数的时候，main函数在做什么？它什么都做不了，只能等待调用func函数结束。这就是强耦合关系的例子。

🚀再次理解生产消费模型

我们依旧使用上面的超市的模型来深度挖掘生产消费模型的特点。生产者对应一个或者多个线程。消费者对应一个或者多个线程。

①生产者和生产者之间是什么关系？

这个大家都知道，一定是互斥即竞争关系。俗话说同行是冤家，在超市展柜上展出自己的商品时，只能同一个品牌上完货，然后另一个火腿肠品牌再上货。负责生产数据的线程之间的关系也是如此。

②消费和消费者之间是什么关系呢？

试想一下：假如过几天就是世界末日，你和同学两个人去超市买火腿肠，但是火腿肠只有一根了，你们两个肯定因为这根火腿肠而吵起来。所以消费者和消费者之间同样是互斥关系。

③生产者和消费者之间是什么关系呢？

假如有一次，你去超市买火腿肠，同时超市的工作人员或者火腿肠的厂家正在上货。你们两个此时比较尴尬，是先上货呢？还是先让我拿呢？是可以沟通的。但是对于计算机而言却不是这样的，操作系统内的线程确实无法沟通的。假如在操作系统内有一块空间，一个线程正在读取这块空间中的内容，与此同时，一个线程正在修改这块空间里的内容，毫无疑问读取的内容一定发生了改变。这是不合理的，所以生产者和消费者之间首先要保持着互斥的关系，不让其同时访问。

假如有这么一个节日，节日期间流行吃火腿肠，所以超市里的供不应求。张三同学为了吃上火腿肠，每天准时准点来到超市问工作人员火腿肠到了没有，假如每天会有很多人前来询问，这对这位工作人员来说，也是一种负担。所以这位工作人员就要求加张三的维信，有火腿肠了就通知张三，这样张三就不用每天来到这里询问了。假如有这样一段时间，是火腿肠的淡季，超市里堆积了大量的火腿肠，但是工厂还源源不断的生产着，所以厂家每天来超市询问是否要进货。这也让超市的工作人员非常讨厌。一天，这位工作人员也加上了厂家的微信，如果需要进货，就给厂家发消息。所以这样，就间接维护了生产者和消费者的同步关系。

总结起来，生产消费模型要遵守321的原则。只要我们想写生产者消费者模型，我们的本质是要维护321原则。

3种关系

①生产者和生产者要保持互斥关系②消费者和消费者之间要保持互斥关系③消费者和生产者之间既要保持互斥关系也要保持同步关系。

2种角色

生产者线程，消费者线程

1个交易场所

一段特定结构的缓冲区

🚀挖掘特点

①生产线程和消费线程进行解耦

②支持生产者和消费者一段时间的忙闲不均的问题。

有没有可能在一段时间内，生产者的生产能力很强，但是消费者的消费水平很低；或者生产者的生产水平很弱，但是消费者的消费水平很强。但是由于中间的超市的存在，可以平衡生产者和消费者之间生产和消费的问题。在我们的计算机内部，也是如此的

③提高效率

在社会发展中，出现了超市这样的事物，一定有它存在的道理和意义。假如没有超市的存在，我们需要购买商品时，就需要跑到工厂，相比于在超市中购买，肯定要浪费更多的时间。而工厂的工作人员就需要抽出人力来销售自己生产的商品，也浪费人力资源。所以生产者消费者模型的出现，可以提高我们的效率。在我们的计算机内部也是如此，同样适用。关于提高效率这块的内容，我们后边还会说明。

所以，我们现在是不是有能力将函数调用解耦呢？

是的，现在我们就可以实现函数调用解耦了。具体我们可以这样做：

我们先定义一个缓冲区，负责存储实参。我们先将要喂给调用函数作为实参的数据存储在缓冲区内，然后调用函数可以随时从缓冲区内读取数据，作为实参进行处理，然后输出结果。这样两个执行流就由串行执行变为并发执行，真正意义上实现了解耦。

但我们忽略了一个问题：生产者和消费者的关系是互斥之间的关系，就是同一时间，仅允生产线程和消费线程中的一个线程访问缓冲区（也就是临界区）。假如生产者的优先级非常高，同时缓冲区的数据已满，不允许再写入数据，但是生产线程却不断的进行查询，这样也就会导致一个线程一直访问临界资源，就会造成我们刚刚说的自习室问题。具体如图：

如上图，结合这份伪代码，大家应该可以理解。这时，我们就要提出条件变量的概念了。

🚩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。这句话应该如何理解呢？

如上图，若干个线程互斥性的访问ticket这个变量，但只有剩余票数大于0时，才能完成抢票的动作，否则什么也干不了。此时如果一个线程的优先级很高，那么它就会不停的查询ticket的值，造成一定程度上的无用查询。这时我们就可以设定一个条件变量，等到ticket大于0时，通知该线程来抢票，不用一直在这里查询了。这就是条件变量的用处。

🚀条件变量常用接口

// 所有条件变量的相关函数都在该头文件下
#include <pthread.h>
// 创建一个条件变量
pthread_cond_t +变量名
// 销毁条件变量
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
// 对一个条件变量进行初始化,参数:cond:要初始化的条件,attr:NULL
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);
// 如果这个条件变量是静态的或者全局的，也可以这样初始化
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
// 等待条件满足,参数:cond:要在这个条件变量上等待,mutex:互斥量,后面详细解释
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex);
// 如下两个函数是唤醒等待
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

注意：这些函数如果有返回值，默认成功的话，返回0；失败的话，错误码被设置。

接下来，见见猪跑

#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);
}