Linux系統(tǒng)中線程同步方式中的條件變量方法

? ? 大家好，我是ST。

? ? 今天主要和大家聊一聊，如何使用Linux中線程同步方式中的條件變量。

第一：條件變量基本簡(jiǎn)介

? ??條件變量是線程可用的另一種同步機(jī)制，條件變量用于自動(dòng)阻塞線程，知道某個(gè)特定事件或某個(gè)條件滿足為止，通常情況下，條件變量是和互斥鎖一起搭配使用的。使用條件變量主要包括兩個(gè)動(dòng)作：

1、一個(gè)線程等待某個(gè)條件滿足而被阻塞。

2、另一個(gè)線程中，條件滿足時(shí)發(fā)出“信號(hào)”。

? ??例子：為了說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，來(lái)看一個(gè)沒(méi)有使用條件變量的例子，生產(chǎn)者---消費(fèi)者模式，生產(chǎn)者這邊負(fù)責(zé)生產(chǎn)產(chǎn)品、而消費(fèi)者負(fù)責(zé)消費(fèi)產(chǎn)品，對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，沒(méi)有產(chǎn)品的時(shí)候只能等待產(chǎn)品出來(lái)，有產(chǎn)品就使用它。

? ?? 這里我們使用一個(gè)變量來(lái)表示這個(gè)產(chǎn)品，生產(chǎn)者生產(chǎn)一件產(chǎn)品變量加1，消費(fèi)者消費(fèi)一次變量減1.

?

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
static pthread_mutex_t mutex;
static int g_avail = 0;
/* 消費(fèi)者線程 */
static void *consumer_thread(void *arg)
{
 for ( ; ; ) {
 pthread_mutex_lock(&mutex);//上鎖
 while (g_avail > 0)
 g_avail--; //消費(fèi)
 pthread_mutex_unlock(&mutex);//解鎖
 }
 return (void *)0;
}
/* 主線程（生產(chǎn)者） */
int main(int argc, char *argv[])
{
 pthread_t tid;
 int ret;
 /* 初始化互斥鎖 */
 pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
 /* 創(chuàng)建新線程 */
 ret = pthread_create(&tid, NULL, consumer_thread, NULL);
 if (ret) {
 fprintf(stderr, "pthread_create error: %s
", strerror(ret));
 exit(-1);
 }
?for(;;){
???pthread_mutex_lock(&mutex);  //上鎖
???g_avail++;  //生產(chǎn)
???pthread_mutex_unlock(&mutex); //解鎖
?}
?exit(0);
?}? ?

?

分析：上述代碼雖然可行，但由于新線程中會(huì)不停的循環(huán)檢查全局變量 g_avail 是否大于 0，故而造成 CPU 資源的浪費(fèi)。采用條件變量這一問(wèn)題就可以迎刃而解。

第二：條件變量初始化方法

? ??條件變量使用pthread_cond_t數(shù)據(jù)類型來(lái)表示，在使用條件變量之前必須對(duì)其進(jìn)行初始化。

? ? pthread_cond_init()函數(shù)原型如下所示：

?

#include 
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr);

?

? ?同樣，使用這些函數(shù)需要包含頭文件,使用pthread_cond_init()函數(shù)初始化條件變量，當(dāng)不再使用時(shí)，使用pthread_cond_destroy()銷毀條件變量。

? ? ??參數(shù)cond指向pthread_cond_t條件變量對(duì)象，對(duì)于pthread_cond_init()函數(shù)，類似于互斥鎖，在初始化條件變量時(shí)設(shè)置條件變量的屬性，參數(shù) attr 指向一個(gè) pthread_condattr_t 類型對(duì)象，pthread_condattr_t 數(shù)據(jù)類型用于描述條件變量的屬性。可將參數(shù) attr 設(shè)置為 NULL，表示使用屬性的默認(rèn)值來(lái)初始化條件變量，與使用 PTHREAD_COND_INITIALIZER 宏相同。

? ? ? 函數(shù)調(diào)用成功返回0，失敗將返回一個(gè)非0值的錯(cuò)誤碼。

使用注意：

1、在使用條件變量之前必須對(duì)條件變量進(jìn)行初始化操作，使用 PTHREAD_COND_INITIALIZER 宏或者函數(shù) pthread_cond_init()都行；

2、對(duì)已經(jīng)初始化的條件變量再次進(jìn)行初始化，將可能會(huì)導(dǎo)致未定義行為；

3、對(duì)沒(méi)有進(jìn)行初始化的條件變量進(jìn)行銷毀，也將可能導(dǎo)致未定義行為；

4、對(duì)某個(gè)條件變量而言，僅當(dāng)沒(méi)有任何線程等待它時(shí)，將其銷毀才是最安全

第三：通知和等待條件變量

? ? 條件變量的主要操作便是發(fā)送信號(hào)（signal）和等待。發(fā)送信號(hào)操作即是通知一個(gè)或多個(gè)處于等待狀態(tài)的線程，某個(gè)共享變量的狀態(tài)已經(jīng)改變，這些處于等待狀態(tài)的線程收到通知之后便會(huì)被喚醒，喚醒之后再檢查條件是否滿足。等待操作是指在收到一個(gè)通知前一直處于阻塞狀態(tài)。

? ? ?函數(shù)pthread_cond_signal()和pthread_cond_broadcast()均可向指定的條件變量發(fā)送信號(hào)，通知一個(gè)或多個(gè)處于等待狀態(tài)的線程。調(diào)用pthread_cond_wait()函數(shù)是線程阻塞，直到收到條件變量的通知。

? ? ?pthread_cond_signal()和 pthread_cond_broadcast()函數(shù)原型如下所示：

?

#include 
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

?

? ? ? 當(dāng)程序當(dāng)中使用條件變量，當(dāng)判斷某個(gè)條件不滿足時(shí)，調(diào)用 pthread_cond_wait()函數(shù)將線程設(shè)置為等待狀態(tài)（阻塞）。pthread_cond_wait()函數(shù)包含兩個(gè)參數(shù)：

?

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

?

? ??cond：指向需要等待的條件變量，目標(biāo)條件變量；?

? ? mutex：參數(shù) mutex 是一個(gè) pthread_mutex_t 類型指針，指向一個(gè)互斥鎖對(duì)象；前面開(kāi)頭便給大家介紹了，條件變量通常是和互斥鎖一起使用，因?yàn)闂l件的檢測(cè)（條件檢測(cè)通常是需要訪問(wèn)共享資源的）是在互斥鎖的保護(hù)下進(jìn)行的，也就是說(shuō)條件本身是由互斥鎖保護(hù)的。

返回值：調(diào)用成功返回 0；失敗將返回一個(gè)非 0 值的錯(cuò)誤碼。

在 pthread_cond_wait()函數(shù)內(nèi)部會(huì)對(duì)參數(shù) mutex 所指定的互斥鎖進(jìn)行操作，通常情況下，條件判斷以及pthread_cond_wait()函數(shù)調(diào)用均在互斥鎖的保護(hù)下，也就是說(shuō)，在此之前線程已經(jīng)對(duì)互斥鎖加鎖了。調(diào)用pthread_cond_wait()函數(shù)時(shí)，調(diào)用者把互斥鎖傳遞給函數(shù)，函數(shù)會(huì)自動(dòng)把調(diào)用線程放到等待條件的線程列表上，然后將互斥鎖解鎖；當(dāng) pthread_cond_wait()被喚醒返回時(shí)，會(huì)再次鎖住互斥鎖。

代碼實(shí)例：

?

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
static pthread_mutex_t mutex; //定義互斥鎖
static pthread_cond_t cond; //定義條件變量
static int g_avail = 0; //全局共享資源
/* 消費(fèi)者線程 */
static void *consumer_thread(void *arg)
{
 for ( ; ; ) {
 pthread_mutex_lock(&mutex);//上鎖
 while (0 >= g_avail)
 pthread_cond_wait(&cond, &mutex);//等待條件滿足
 while (0 < g_avail)
 g_avail--; //消費(fèi)
 pthread_mutex_unlock(&mutex);//解鎖
 }
 return (void *)0;
}
/* 主線程（生產(chǎn)者） */
int main(int argc, char *argv[])
{
 pthread_t tid;
 int ret;
 /* 初始化互斥鎖和條件變量 */
 pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
 pthread_cond_init(&cond, NULL);
 /* 創(chuàng)建新線程 */
 ret = pthread_create(&tid, NULL, consumer_thread, NULL);
 if (ret) {
 fprintf(stderr, "pthread_create error: %s
", strerror(ret));
 exit(-1);
 }
 for ( ; ; ) {
 pthread_mutex_lock(&mutex);//上鎖
 g_avail++; //生產(chǎn)
 pthread_mutex_unlock(&mutex);//解鎖
 pthread_cond_signal(&cond);//向條件變量發(fā)送信號(hào)
 }
 exit(0);
}
 

?

? ??全局變量 g_avail 作為主線程和新線程之間的共享資源，兩個(gè)線程在訪問(wèn)它們之間首先會(huì)對(duì)互斥鎖進(jìn)行上鎖，消費(fèi)者線程中，當(dāng)判斷沒(méi)有產(chǎn)品可被消費(fèi)時(shí)（g_avail <= 0），調(diào)用 pthread_cond_wait()使得線程陷入等待狀態(tài)，等待條件變量，等待生產(chǎn)者制造產(chǎn)品；調(diào)用 pthread_cond_wait()后線程阻塞并解鎖互斥鎖；而在生產(chǎn)者線程中，它的任務(wù)是生產(chǎn)產(chǎn)品（使用g_avail++來(lái)模擬），產(chǎn)品生產(chǎn)完成之后，調(diào)用pthread_mutex_unlock()將互斥鎖解鎖，并調(diào)用 pthread_cond_signal()向條件變量發(fā)送信號(hào)；這將會(huì)喚醒處于等待該條件變量的消費(fèi)者線程，喚醒之后再次自動(dòng)獲取互斥鎖，然后再對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行消費(fèi)（g_avai--模擬）。

總結(jié)：Linux系統(tǒng)中為了方便線程對(duì)共享資源的訪問(wèn)，條件變量在其中也會(huì)發(fā)揮重要作用。