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嵌入式linux中文站給大家介紹三種Linux中的常用多線程同步方式：互斥量，條件變量，信號量。
1 互斥鎖
互斥鎖用來保證一段時間內(nèi)只有一個線程在執(zhí)行一段代碼。必要性顯而易見：假設各個線程向同一個文件順序?qū)懭霐?shù)據(jù)，最后得到的結(jié)果一定是災難性的。
先看下面一段代碼。這是一個讀/寫程序，它們公用一個緩沖區(qū)，并且假定一個緩沖區(qū)只能保存一條信息。即緩沖區(qū)只有兩個狀態(tài)：有信息或沒有信息。
void reader_function （ void ）;
void writer_function （ void ）;
char buffer;
int buffer_has_item=0;
pthread_mutex_t mutex;
struct timespec delay;
void main （ void ）{
pthread_t reader;
/* 定義延遲時間*/
delay.tv_sec = 2;
delay.tv_nec = 0;
/* 用默認屬性初始化一個互斥鎖對象*/
pthread_mutex_init （&mutex，NULL）;
pthread_create（&reader， pthread_attr_default， （void *）&reader_function）， NULL）;
writer_function（ ）;
}
void writer_function （void）{
while（1）{
/* 鎖定互斥鎖*/
pthread_mutex_lock （&mutex）;
if （buffer_has_item==0）{
buffer=make_new_item（ ）;
buffer_has_item=1;
}
/* 打開互斥鎖*/
pthread_mutex_unlock（&mutex）;
pthread_delay_np（&delay）;
}
}
void reader_function（void）{
while（1）{
pthread_mutex_lock（&mutex）;
if（buffer_has_item==1）{
consume_item（buffer）;
buffer_has_item=0;
}
pthread_mutex_unlock（&mutex）;
pthread_delay_np（&delay）;
}
}
這里聲明了互斥鎖變量mutex，結(jié)構pthread_mutex_t為不公開的數(shù)據(jù)類型，其中包含一個系統(tǒng)分配的屬性對象。函數(shù)pthread_mutex_init用來生成一個互斥鎖。NULL參數(shù)表明使用默認屬性。如果需要聲明特定屬性的互斥鎖，須調(diào)用函數(shù)pthread_mutexattr_init。函數(shù)pthread_mutexattr_setpshared和函數(shù)pthread_mutexattr_settype用來設置互斥鎖屬性。前一個函數(shù)設置屬性pshared，它有兩個取值，PTHREAD_PROCESS_PRIVATE和PTHREAD_PROCESS_SHARED。前者用來不同進程中的線程同步，后者用于同步本進程的不同線程。在上面的例子中，使用的是默認屬性PTHREAD_PROCESS_ PRIVATE。后者用來設置互斥鎖類型，可選的類型有PTHREAD_MUTEX_NORMAL、PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK、PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE和PTHREAD _MUTEX_DEFAULT。它們分別定義了不同的上鎖、解鎖機制，一般情況下，選用最后一個默認屬性。
pthread_mutex_lock聲明開始用互斥鎖上鎖，此后的代碼直至調(diào)用pthread_mutex_unlock為止，均被上鎖，即同一時間只能被一個線程調(diào)用執(zhí)行。當一個線程執(zhí)行到pthread_mutex_lock處時，如果該鎖此時被另一個線程使用，那此線程被阻塞，即程序?qū)⒌却搅硪粋€線程釋放此互斥鎖。在上面的例子中，使用了pthread_delay_np函數(shù)，讓線程睡眠一段時間，就是為了防止一個線程始終占據(jù)此函數(shù)。
在使用互斥鎖的過程中很有可能會出現(xiàn)死鎖：兩個線程試圖同時占用兩個資源，并按不同的次序鎖定相應的互斥鎖，例如兩個線程都需要鎖定互斥鎖1和互斥鎖2，a線程先鎖定互斥鎖1，b線程先鎖定互斥鎖2，這時就出現(xiàn)了死鎖。此時可以使用函數(shù)pthread_mutex_trylock，它是函數(shù)pthread_mutex_lock的非阻塞版本，當它發(fā)現(xiàn)死鎖不可避免時，它會返回相應的信息，程序員可以針對死鎖做出相應的處理。另外不同的互斥鎖類型對死鎖的處理不一樣，但最主要的還是要程序員自己在程序設計注意這一點。
2 條件變量
前一節(jié)中我們講述了如何使用互斥鎖來實現(xiàn)線程間數(shù)據(jù)的共享和通信，互斥鎖一個明顯的缺點是它只有兩種狀態(tài)：鎖定和非鎖定。而條件變量通過允許線程阻塞和等待另一個線程發(fā)送信號的方法彌補了互斥鎖的不足，它常和互斥鎖一起使用。使用時，條件變量被用來阻塞一個線程，當條件不滿足時，線程往往解開相應的互斥鎖并等待條件發(fā)生變化。一旦其它的某個線程改變了條件變量，它將通知相應的條件變量喚醒一個或多個正被此條件變量阻塞的線程。這些線程將重新鎖定互斥鎖并重新測試條件是否滿足。一般說來，條件變量被用來進行線程間的同步。
條件變量的結(jié)構為pthread_cond_t，函數(shù)pthread_cond_init（）被用來初始化一個條件變量。它的原型為：
extern int pthread_cond_init __P （（pthread_cond_t *__cond，__const pthread_condattr_t *__cond_attr））;
其中cond是一個指向結(jié)構pthread_cond_t的指針，cond_attr是一個指向結(jié)構pthread_condattr_t的指針。結(jié)構pthread_condattr_t是條件變量的屬性結(jié)構，和互斥鎖一樣可以用它來設置條件變量是進程內(nèi)可用還是進程間可用，默認值是PTHREAD_ PROCESS_PRIVATE，即此條件變量被同一進程內(nèi)的各個線程使用。注意初始化條件變量只有未被使用時才能重新初始化或被釋放。釋放一個條件變量的函數(shù)為pthread_cond_ destroy（pthread_cond_t cond）。
函數(shù)pthread_cond_wait（）使線程阻塞在一個條件變量上。它的函數(shù)原型為：
extern int pthread_cond_wait __P （（pthread_cond_t *__cond，
pthread_mutex_t *__mutex））;
線程解開mutex指向的鎖并被條件變量cond阻塞。線程可以被函數(shù)pthread_cond_signal和函數(shù)pthread_cond_broadcast喚醒，但是要注意的是，條件變量只是起阻塞和喚醒線程的作用，具體的判斷條件還需用戶給出，例如一個變量是否為0等等，這一點從后面的例子中可以看到。線程被喚醒后，它將重新檢查判斷條件是否滿足，如果還不滿足，一般說來線程應該仍阻塞在這里，被等待被下一次喚醒。這個過程一般用while語句實現(xiàn)。
另一個用來阻塞線程的函數(shù)是pthread_cond_timedwait（），它的原型為：
extern int pthread_cond_timedwait __P （（pthread_cond_t *__cond，
pthread_mutex_t *__mutex， __const struct timespec *__abstime））;
它比函數(shù)pthread_cond_wait（）多了一個時間參數(shù)，經(jīng)歷abstime段時間后，即使條件變量不滿足，阻塞也被解除。
函數(shù)pthread_cond_signal（）的原型為：
extern int pthread_cond_signal __P （（pthread_cond_t *__cond））;
它用來釋放被阻塞在條件變量cond上的一個線程。多個線程阻塞在此條件變量上時，哪一個線程被喚醒是由線程的調(diào)度策略所決定的。要注意的是，必須用保護條件變量的互斥鎖來保護這個函數(shù)，否則條件滿足信號有可能在測試條件和調(diào)用pthread_cond_wait函數(shù)之間被發(fā)出，從而造成無限制的等待。下面是使用函數(shù)pthread_cond_wait（）和函數(shù)pthread_cond_signal（）的一個簡單的例子。
pthread_mutex_t count_lock;
pthread_cond_t count_nonzero;
unsigned count;
decrement_count?。ǎ?{
pthread_mutex_lock （&count_lock）;
while（count==0）
pthread_cond_wait（ &count_nonzero， &count_lock）;
count=count -1;
pthread_mutex_unlock （&count_lock）;
}
increment_count（）{
pthread_mutex_lock（&count_lock）;
if（count==0）
pthread_cond_signal（&count_nonzero）;
count=count+1;
pthread_mutex_unlock（&count_lock）;
}
count值為0時，decrement函數(shù)在pthread_cond_wait處被阻塞，并打開互斥鎖count_lock。此時，當調(diào)用到函數(shù)increment_count時，pthread_cond_signal（）函數(shù)改變條件變量，告知decrement_count（）停止阻塞。
函數(shù)pthread_cond_broadcast（pthread_cond_t *cond）用來喚醒所有被阻塞在條件變量cond上的線程。這些線程被喚醒后將再次競爭相應的互斥鎖，所以必須小心使用這個函數(shù)。
3 信號量
信號量本質(zhì)上是一個非負的整數(shù)計數(shù)器，它被用來控制對公共資源的訪問。當公共資源增加時，調(diào)用函數(shù)sem_post（）增加信號量。只有當信號量值大于0時，才能使用公共資源，使用后，函數(shù)sem_wait（）減少信號量。函數(shù)sem_trywait（）和函數(shù)pthread_ mutex_trylock（）起同樣的作用，它是函數(shù)sem_wait（）的非阻塞版本。下面逐個介紹和信號量有關的一些函數(shù)，它們都在頭文件/usr/include/semaphore.h中定義。
信號量的數(shù)據(jù)類型為結(jié)構sem_t，它本質(zhì)上是一個長整型的數(shù)。函數(shù)sem_init（）用來初始化一個信號量。它的原型為：
extern int sem_init __P （（sem_t *__sem， int __pshared， unsigned int __value））;
sem為指向信號量結(jié)構的一個指針;pshared不為0時此信號量在進程間共享，否則只能為當前進程的所有線程共享;value給出了信號量的初始值。
函數(shù)sem_post（ sem_t *sem ）用來增加信號量的值。當有線程阻塞在這個信號量上時，調(diào)用這個函數(shù)會使其中的一個線程不再阻塞，選擇機制同樣是由線程的調(diào)度策略決定的。
函數(shù)sem_wait（ sem_t *sem ）被用來阻塞當前線程直到信號量sem的值大于0，解除阻塞后將sem的值減一，表明公共資源經(jīng)使用后減少。函數(shù)sem_trywait （ sem_t *sem ）是函數(shù)sem_wait（）的非阻塞版本，它直接將信號量sem的值減一。
函數(shù)sem_destroy（sem_t *sem）用來釋放信號量sem。
下面來看一個使用信號量的例子。在這個例子中，一共有4個線程，其中兩個線程負責從文件讀取數(shù)據(jù)到公共的緩沖區(qū)，另兩個線程從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)作不同的處理（加和乘運算）。
/* File sem.c */
#include
#include
#include
#define MAXSTACK 100
int stack［MAXSTACK］［2］;
int size=0;
sem_t sem;
/* 從文件1.dat讀取數(shù)據(jù)，每讀一次，信號量加一*/
void ReadData1（void）{
FILE *fp=fopen（“1.dat”，“r”）;
while（！feof（fp））{
fscanf（fp，“%d %d”，&stack［size］［0］，&stack［size］［1］）;
sem_post（&sem）;
++size;
}
fclose（fp）;
}
/*從文件2.dat讀取數(shù)據(jù)*/
void ReadData2（void）{
FILE *fp=fopen（“2.dat”，“r”）;
while（！feof（fp））{
fscanf（fp，“%d %d”，&stack［size］［0］，&stack［size］［1］）;
sem_post（&sem）;
++size;
}
fclose（fp）;
}
/*阻塞等待緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)后，釋放空間，繼續(xù)等待*/
void HandleData1（void）{
while（1）{
sem_wait（&sem）;
printf（“Plus：%d+%d=%d\n”，stack［size］［0］，stack［size］［1］，
stack［size］［0］+stack［size］［1］）;
--size;
}
}
void HandleData2（void）{
while（1）{
sem_wait（&sem）;
printf（“Multiply：%d*%d=%d\n”，stack［size］［0］，stack［size］［1］，
stack［size］［0］*stack［size］［1］）;
--size;
}
}
int main（void）{
pthread_t t1，t2，t3，t4;
sem_init（&sem，0，0）;
pthread_create（&t1，NULL，（void *）HandleData1，NULL）;
pthread_create（&t2，NULL，（void *）HandleData2，NULL）;
pthread_create（&t3，NULL，（void *）ReadData1，NULL）;
pthread_create（&t4，NULL，（void *）ReadData2，NULL）;
/* 防止程序過早退出，讓它在此無限期等待*/
pthread_join（t1，NULL）;
}
在Linux下，用命令gcc -lpthread sem.c -o sem生成可執(zhí)行文件sem。事先編輯好數(shù)據(jù)文件1.dat和2.dat，假設它們的內(nèi)容分別為1 2 3 4 5 6 7 8 9 10和 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 ，運行sem，得到如下的結(jié)果：
Multiply：-1*-2=2
Plus：-1+-2=-3
Multiply:9*10=90
Plus：-9+-10=-19
Multiply：-7*-8=56
Plus：-5+-6=-11
Multiply：-3*-4=12
Plus:9+10=19
Plus:7+8=15
Plus:5+6=11
從中可以看出各個線程間的競爭關系。而數(shù)值并未按原先的順序顯示出來，這是由于size這個數(shù)值被各個線程任意修改的緣故。這也往往是多線程編程要注意的問題。
工商網(wǎng)監(jiān)
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