linux c 线程间同步（通信）的几种方法--互斥锁，条件变量，信号量，读写锁

转载自：https://blog.csdn.net/vertor11/article/details/55657619

Linux下提供了多种方式来处理线程同步，最常用的是互斥锁、条件变量、信号量和读写锁。

下面是思维导图：

一、互斥锁（mutex）
　　锁机制是同一时刻只允许一个线程执行一个关键部分的代码。

1 . 初始化锁

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,const pthread_mutex_attr_t *mutexattr);

其中参数 mutexattr 用于指定锁的属性（见下），如果为NULL则使用缺省属性。
互斥锁的属性在创建锁的时候指定，在LinuxThreads实现中仅有一个锁类型属性，不同的锁类型在试图对一个已经被锁定的互斥锁加锁时表现不同。当前有四个值可供选择：
（1）PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP，这是缺省值，也就是普通锁。当一个线程加锁以后，其余请求锁的线程将形成一个等待队列，并在解锁后按优先级获得锁。这种锁策略保证了资源分配的公平性。
（2）PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP，嵌套锁，允许同一个线程对同一个锁成功获得多次，并通过多次unlock解锁。如果是不同线程请求，则在加锁线程解锁时重新竞争。
（3）PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP，检错锁，如果同一个线程请求同一个锁，则返回EDEADLK，否则与PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP类型动作相同。这样就保证当不允许多次加锁时不会出现最简单情况下的死锁。
（4）PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP，适应锁，动作最简单的锁类型，仅等待解锁后重新竞争。

2 . 阻塞加锁

　int pthread_mutex_lock(pthread_mutex *mutex);

3 . 非阻塞加锁

  int pthread_mutex_trylock( pthread_mutex_t *mutex);

该函数语义与 pthread_mutex_lock() 类似，不同的是在锁已经被占据时返回 EBUSY 而不是挂起等待。可通过strerror(ret)来读取错误码，而不是strerror(errno)
4 . 解锁（要求锁是lock状态,并且由加锁线程解锁）

　int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex *mutex);

5 . 销毁锁（此时锁必需unlock状态,否则返回EBUSY）可通过strerror(ret)来读取错误码，而不是strerror(errno)

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex *mutex);

　　示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int gn; void* thread(void *arg) { printf("thread's ID is %d\n",pthread_self()); pthread_mutex_lock(&mutex); gn = 12; printf("Now gn = %d\n",gn); pthread_mutex_unlock(&mutex); return NULL; } int main() { pthread_t id; printf("main thread's ID is %d\n",pthread_self()); gn = 3; printf("In main func, gn = %d\n",gn); if (!pthread_create(&id, NULL, thread, NULL)) { printf("Create thread success!\n"); } else { printf("Create thread failed!\n"); } pthread_join(id, NULL); pthread_mutex_destroy(&mutex); return 0; }

二、条件变量（cond）

　　条件变量是利用线程间共享全局变量进行同步的一种机制。条件变量上的基本操作有：触发条件(当条件变为 true 时)；等待条件，挂起线程直到其他线程触发条件。

1 . 初始化条件变量　

   int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond,pthread_condattr_t *cond_attr);

 尽管POSIX标准中为条件变量定义了属性，但在Linux中没有实现，因此cond_attr值通常为NULL，且被忽略。

2 . 有两个等待函数
（1）无条件等待

      int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex);

  （2）计时等待

      int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex *mutex,const timespec *abstime);

  如果在给定时刻前条件没有满足，则返回ETIMEOUT，结束等待，其中abstime以与time()系统调用相同意义的绝对时间形式出现，0表示格林尼治时间1970年1月1日0时0分0秒。

无论哪种等待方式，都必须和一个互斥锁配合，以防止多个线程同时请求（用 pthread_cond_wait() 或 pthread_cond_timedwait() 请求）竞争条件（Race Condition）。mutex互斥锁必须是普通锁（PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP）或者适应锁（PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP），且在调用pthread_cond_wait()前必须由本线程加锁（pthread_mutex_lock()），而在更新条件等待队列以前，mutex保持锁定状态，并在线程挂起进入等待前解锁。在条件满足从而离开pthread_cond_wait()之前，mutex将被重新加锁，以与进入pthread_cond_wait()前的加锁动作对应。

3 . 激发条件
（1）激活一个等待该条件的线程（存在多个等待线程时按入队顺序激活其中一个）　　

      int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

（2）激活所有等待线程

  int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

4 . 销毁条件变量

   int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

  只有在没有线程在该条件变量上等待的时候才能销毁这个条件变量，否则返回EBUSY

说明：

　　1. pthread_cond_wait 自动解锁互斥量(如同执行了pthread_unlock_mutex)，并等待条件变量触发。这时线程挂起，不占用CPU时间，直到条件变量被触发（变量为ture）。在调用 pthread_cond_wait之前，应用程序必须加锁互斥量。pthread_cond_wait函数返回前，自动重新对互斥量加锁(如同执行了pthread_lock_mutex)。

　　2. 互斥量的解锁和在条件变量上挂起都是自动进行的。因此，在条件变量被触发前，如果所有的线程都要对互斥量加锁，这种机制可保证在线程加锁互斥量和进入等待条件变量期间，条件变量不被触发。条件变量要和互斥量相联结，以避免出现条件竞争——个线程预备等待一个条件变量，当它在真正进入等待之前，另一个线程恰好触发了该条件（条件满足信号有可能在测试条件和调用pthread_cond_wait函数（block）之间被发出，从而造成无限制的等待）。

　　3. 条件变量函数不是异步信号安全的，不应当在信号处理程序中进行调用。特别要注意，如果在信号处理程序中调用 pthread_cond_signal 或 pthread_cond_boardcast 函数，可能导致调用线程死锁

示例代码1：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include "stdlib.h" #include "unistd.h" pthread_mutex_t mutex; pthread_cond_t cond; void hander(void *arg) { free(arg); (void)pthread_mutex_unlock(&mutex); } void *thread1(void *arg) { pthread_cleanup_push(hander, &mutex); while (1) { printf("thread1 is running\n"); pthread_mutex_lock(&mutex); pthread_cond_wait(&cond,&mutex); printf("thread1 applied the condition\n"); pthread_mutex_unlock(&mutex); sleep(4); } pthread_cleanup_pop(0); } void *thread2(void *arg) { while (1) { printf("thread2 is running\n"); pthread_mutex_lock(&mutex); pthread_cond_wait(&cond,&mutex); printf("thread2 applied the condition\n"); pthread_mutex_unlock(&mutex); sleep(1); } } int main() { pthread_t thid1,thid2; printf("condition variable study!\n"); pthread_mutex_init(&mutex,NULL); pthread_cond_init(&cond,NULL); pthread_create(&thid1,NULL,thread1,NULL); pthread_create(&thid2,NULL,thread2,NULL); sleep(1); do { pthread_cond_signal(&cond); } while(1); sleep(20); pthread_exit(0); return 0; }

#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"

static pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; static pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER; struct node { int n_number; struct node *n_next; }*head = NULL; static void cleanup_handler(void *arg) { printf("Cleanup handler of second thread.\n"); free(arg); (void)pthread_mutex_unlock(&mtx); } static void *thread_func(void *arg) { struct node *p = NULL; pthread_cleanup_push(cleanup_handler, p); while (1) { // 这个mutex主要是用来保证pthread_cond_wait的并发性。 pthread_mutex_lock(&mtx); while (head == NULL) { /* 这个while要特别说明一下，单个pthread_cond_wait功能很完善，为何 * 这里要有一个while (head == NULL)呢？因为pthread_cond_wait里的线 * 程可能会被意外唤醒，如果这个时候head != NULL，则不是我们想要的情况。 * 这个时候，应该让线程继续进入pthread_cond_wait * pthread_cond_wait会先解除之前的pthread_mutex_lock锁定的mtx， * 然后阻塞在等待对列里休眠，直到再次被唤醒（大多数情况下是等待的条件成立 * 而被唤醒，唤醒后，该进程会先锁定先pthread_mutex_lock(&mtx);，再读取资源 * 用这个流程是比较清楚的。*/ pthread_cond_wait(&cond, &mtx); p = head; head = head->n_next; printf("Got %d from front of queue\n", p->n_number); free(p); } pthread_mutex_unlock(&mtx); // 临界区数据操作完毕，释放互斥锁。 } pthread_cleanup_pop(0); return 0; } int main(void) { pthread_t tid; int i; struct node *p; /* 子线程会一直等待资源，类似生产者和消费者，但是这里的消费者可以是多个消费者， * 而不仅仅支持普通的单个消费者，这个模型虽然简单，但是很强大。*/ pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL); sleep(1); for (i = 0; i < 10; i++) { p = (struct node*)malloc(sizeof(struct node)); p->n_number = i; pthread_mutex_lock(&mtx); // 需要操作head这个临界资源，先加锁。 p->n_next = head; head = p; pthread_cond_signal(&cond); pthread_mutex_unlock(&mtx); //解锁 sleep(1); } printf("thread 1 wanna end the line.So cancel thread 2.\n"); /* 关于pthread_cancel，有一点额外的说明，它是从外部终止子线程，子线程会在最近的取消点， * 退出线程，而在我们的代码里，最近的取消点肯定就是pthread_cond_wait()了。*/ pthread_cancel(tid); pthread_join(tid, NULL); printf("All done -- exiting\n"); return 0; }

可以看出，等待条件变量信号的用法约定一般是这样的：

...
pthread_mutex_lock(&mutex);
...
pthread_cond_wait (&cond, &mutex);
...
pthread_mutex_unlock (&mutex);
...

相信很多人都会有这个疑问：为什么pthread_cond_wait需要的互斥锁不在函数内部定义，而要使用户定义的呢？现在没有时间研究 pthread_cond_wait 的源代码，带着这个问题对条件变量的用法做如下猜测，希望明白真相看过源代码的朋友不吝指正。

pthread_cond_wait 和 pthread_cond_timewait 函数为什么需要互斥锁？因为：条件变量是线程同步的一种方法，这两个函数又是等待信号的函数，函数内部一定有须要同步保护的数据。
使用用户定义的互斥锁而不在函数内部定义的原因是：无法确定会有多少用户使用条件变量，所以每个互斥锁都须要动态定义，而且管理大量互斥锁的开销太大，使用用户定义的即灵活又方便，符合UNIX哲学的编程风格（随便推荐阅读《UNIX编程哲学》这本好书！）。
好了，说完了1和2，我们来自由猜测一下 pthread_cond_wait 函数的内部结构吧：

　 int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex)
   {
      if（没有条件信号）
      {
         （1）pthread_mutex_unlock (mutex); // 因为用户在函数外面已经加锁了（这是使用约定），但是在没有信号的情况下为了让其他线程也能等待cond，必须解锁。
         （2） 阻塞当前线程，等待条件信号（当然应该是类似于中断触发的方式等待，而不是软件轮询的方式等待）... 有信号就继续执行后面。
         （3） pthread_mutex_lock (mutex); // 因为用户在函数外面要解锁（这也是使用约定），所以要与1呼应加锁，保证用户感觉依然是自己加锁、自己解锁。 } ... }

三、信号量

　如同进程一样，线程也可以通过信号量来实现通信，虽然是轻量级的。
线程使用的基本信号量函数有四个：

　　#include <semaphore.h>

1 . 初始化信号量

   int sem_init (sem_t *sem , int pshared, unsigned int value);

参数：
sem - 指定要初始化的信号量；
pshared - 信号量 sem 的共享选项，linux只支持0，表示它是当前进程的局部信号量；
value - 信号量 sem 的初始值。

2 . 信号量值加1
给参数sem指定的信号量值加1。

　　   int sem_post(sem_t *sem);

3 . 信号量值减1
给参数sem指定的信号量值减1。

　　   int sem_wait(sem_t *sem);

如果sem所指的信号量的数值为0，函数将会等待直到有其它线程使它不再是0为止。

4 . 销毁信号量
销毁指定的信号量。

　　int sem_destroy(sem_t *sem);

　示例代码：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h> #include <errno.h> #define return_if_fail(p) if((p) == 0){printf ("[%s]:func error!\n", __func__);return;} typedef struct _PrivInfo { sem_t s1; sem_t s2; time_t end_time; }PrivInfo; static void info_init (PrivInfo* prifo); static void info_destroy (PrivInfo* prifo); static void* pthread_func_1 (PrivInfo* prifo); static void* pthread_func_2 (PrivInfo* prifo); int main (int argc, char** argv) { pthread_t pt_1 = 0; pthread_t pt_2 = 0; int ret = 0; PrivInfo* prifo = NULL; prifo = (PrivInfo* )malloc (sizeof (PrivInfo)); if (prifo == NULL) { printf ("[%s]: Failed to malloc priv.\n"); return -1; } info_init (prifo); ret = pthread_create (&pt_1, NULL, (void*)pthread_func_1, prifo); if (ret != 0) { perror ("pthread_1_create:"); } ret = pthread_create (&pt_2, NULL, (void*)pthread_func_2, prifo); if (ret != 0) { perror ("pthread_2_create:"); } pthread_join (pt_1, NULL); pthread_join (pt_2, NULL); info_destroy (prifo); return 0; } static void info_init (PrivInfo* prifo) { return_if_fail (prifo != NULL); prifo->end_time = time(NULL) + 10; sem_init (&prifo->s1, 0, 1); sem_init (&prifo->s2, 0, 0); return; } static void info_destroy (PrivInfo* prifo) { return_if_fail (prifo != NULL); sem_destroy (&prifo->s1); sem_destroy (&prifo->s2); free (prifo); prifo = NULL; return; } static void* pthread_func_1 (PrivInfo* prifo) { return_if_fail (prifo != NULL); while (time(NULL) < prifo->end_time) { sem_wait (&prifo->s2); printf ("pthread1: pthread1 get the lock.\n"); sem_post (&prifo->s1); printf ("pthread1: pthread1 unlock\n"); sleep (1); } return; } static void* pthread_func_2 (PrivInfo* prifo) { return_if_fail (prifo != NULL); while (time (NULL) < prifo->end_time) { sem_wait (&prifo->s1); printf ("pthread2: pthread2 get the unlock.\n"); sem_post (&prifo->s2); printf ("pthread2: pthread2 unlock.\n"); sleep (1); } return; }

四读写锁
4.1 注意事项

1.如果一个线程用读锁锁定了临界区，那么其他线程也可以用读锁来进入临界区，这样就可以多个线程并行操作。但这个时候，如果再进行写锁加锁就会发生阻塞，写锁请求阻塞后，后面如果继续有读锁来请求，这些后来的读锁都会被阻塞！这样避免了读锁长期占用资源，防止写锁饥饿！
2.如果一个线程用写锁锁住了临界区，那么其他线程不管是读锁还是写锁都会发生阻塞！

4.2 常用接口
1. 初始化：

int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);

读写加锁

int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock); int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock); int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock); int pthread_rwlock_timedrdlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const struct timespec *restrict abs_timeout); int pthread_rwlock_timedwrlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const struct timespec *restrict abs_timeout);

3.销毁锁

int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

应用实例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h> /* 初始化读写锁 */ pthread_rwlock_t rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER; /* 全局资源 */ int global_num = 10; void err_exit(const char *err_msg) { printf("error:%s\n", err_msg); exit(1); } /* 读锁线程函数 */ void *thread_read_lock(void *arg) { char *pthr_name = (char *)arg; while (1) { /* 读加锁 */ pthread_rwlock_rdlock(&rwlock); printf("线程%s进入临界区，global_num = %d\n", pthr_name, global_num); sleep(1); printf("线程%s离开临界区...\n", pthr_name); /* 读解锁 */ pthread_rwlock_unlock(&rwlock); sleep(1); } return NULL; } /* 写锁线程函数 */ void *thread_write_lock(void *arg) { char *pthr_name = (char *)arg; while (1) { /* 写加锁 */ pthread_rwlock_wrlock(&rwlock); /* 写操作 */ global_num++; printf("线程%s进入临界区，global_num = %d\n", pthr_name, global_num); sleep(1); printf("线程%s离开临界区...\n", pthr_name); /* 写解锁 */ pthread_rwlock_unlock(&rwlock); sleep(2); } return NULL; } int main(void) { pthread_t tid_read_1, tid_read_2, tid_write_1, tid_write_2; /* 创建4个线程，2个读，2个写 */ if (pthread_create(&tid_read_1, NULL, thread_read_lock, "read_1") != 0) err_exit("create tid_read_1"); if (pthread_create(&tid_read_2, NULL, thread_read_lock, "read_2") != 0) err_exit("create tid_read_2"); if (pthread_create(&tid_write_1, NULL, thread_write_lock, "write_1") != 0) err_exit("create tid_write_1"); if (pthread_create(&tid_write_2, NULL, thread_write_lock, "write_2") != 0) err_exit("create tid_write_2"); /* 随便等待一个线程，防止main结束 */ if (pthread_join(tid_read_1, NULL) != 0) err_exit("pthread_join()"); return 0; }

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