一、为什么要线程同步

在Linux 多线程编程中,线程同步是一个非常重要的问题。如果线程之间没有正确地同步,就会导致程序出现一些意外的问题,例如:

  1. 竞态条件(Race Condition):多个线程同时修改同一个共享变量,可能会导致不可预测的结果,因为线程的执行顺序是不确定的。
  2. 死锁(Deadlock):当两个或多个线程互相等待对方释放资源时,可能会导致死锁,这会导致程序无法继续执行。
  3. 活锁(Livelock):当多个线程相互响应对方的动作,而没有任何进展时,可能会导致活锁,这也会导致程序无法继续执行。

  • 两个人在走路时需要相互让路,两个人都想让对方先通过,但最终还是没有人通过,这就是一种活锁情况

接下来将介绍互斥锁、条件变量、信号量、读写锁这几种线程同步方法,并使用C语言代码示例说明其使用方法。

二、互斥锁

互斥锁是一种用于线程同步的锁,用于保护共享资源。只有拥有该锁的线程才能访问共享资源,其他线程需要等待锁被释放后才能继续执行。

在Linux环境下,我们可以使用pthread库提供的互斥锁函数来实现互斥锁机制。以下是一些常用的互斥锁函数:

函数名描述
pthread_mutex_init初始化互斥锁
pthread_mutex_lock加锁互斥锁
pthread_mutex_trylock尝试加锁互斥锁
pthread_mutex_unlock解锁互斥锁
pthread_mutex_destroy销毁互斥锁

初始化互斥锁

在使用互斥锁之前,需要先初始化互斥锁。pthread_mutex_init函数用于初始化一个互斥锁。函数原型如下:

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);

其中,mutex参数是一个指向pthread_mutex_t结构体的指针,用于指定要初始化的互斥锁;attr参数是一个指向pthread_mutexattr_t结构体的指针,用于指定互斥锁的属性,通常设置为NULL。

以下是一个初始化互斥锁的例子:

#include pthread_mutex_t mutex;int main(){    // 初始化互斥锁    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);        // ...        // 销毁互斥锁    pthread_mutex_destroy(&mutex);        return 0;}

加锁互斥锁

加锁互斥锁用于保证同一时刻只有一个线程能够访问共享资源。pthread_mutex_lock函数用于加锁一个互斥锁。函数原型如下:

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

其中,mutex参数是一个指向pthread_mutex_t结构体的指针,用于指定要加锁的互斥锁。

以下是一个加锁互斥锁的例子:

#include pthread_mutex_t mutex;void* thread_func(void* arg){    // 加锁互斥锁    pthread_mutex_lock(&mutex);        // 访问共享资源    // ...        // 解锁互斥锁    pthread_mutex_unlock(&mutex);        return NULL;}int main(){    // 初始化互斥锁    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);        // 创建线程    pthread_t tid;    pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);        // ...        // 等待线程结束    pthread_join(tid, NULL);        // 销毁互斥锁    pthread_mutex_destroy(&mutex);        return 0;}

尝试加锁互斥锁

尝试加锁互斥锁与加锁互斥锁的主要区别在于,如果互斥锁已经被其他线程锁定了,尝试加锁互斥锁将不会阻塞当前线程,而是会立即返回一个错误代码。函数原型如下:

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

其中,mutex参数是一个指向pthread_mutex_t结构体的指针,用于指定要尝试加锁的互斥锁。

以下是一个尝试加锁互斥锁的例子:

#include pthread_mutex_t mutex;void* thread_func(void* arg){    // 尝试加锁互斥锁    int ret = pthread_mutex_trylock(&mutex);    if (ret == 0) {        // 访问共享资源        // ...                // 解锁互斥锁        pthread_mutex_unlock(&mutex);    } else {        // 互斥锁已经被其他线程锁定了        // ...    }        return NULL;}int main(){    // 初始化互斥锁    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);        // 创建线程    pthread_t tid;    pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);        // ...        // 等待线程结束    pthread_join(tid, NULL);        // 销毁互斥锁    pthread_mutex_destroy(&mutex);        return 0;}

解锁互斥锁

解锁互斥锁用于释放已经锁定的互斥锁。pthread_mutex_unlock函数用于解锁一个互斥锁。函数原型如下:

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

其中,mutex参数是一个指向pthread_mutex_t结构体的指针,用于指定要解锁的互斥锁。

以下是一个解锁互斥锁的例子:

#include pthread_mutex_t mutex;void* thread_func(void* arg){    // 加锁互斥锁    pthread_mutex_lock(&mutex);        // 访问共享资源    //// 解锁互斥锁pthread_mutex_unlock(&mutex);return NULL;}

销毁互斥锁

在不再需要使用互斥锁时,需要将互斥锁销毁。pthread_mutex_destroy函数用于销毁一个互斥锁。函数原型如下:

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

其中,mutex参数是一个指向pthread_mutex_t结构体的指针,用于指定要销毁的互斥锁。

以下是一个销毁互斥锁的例子:

#include pthread_mutex_t mutex;int main(){    // 初始化互斥锁    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);        // ...        // 销毁互斥锁    pthread_mutex_destroy(&mutex);        return 0;}

示例程序

下面是一个简单的示例程序,演示了如何使用互斥锁来同步两个线程的访问。

#include #include #include pthread_mutex_t mutex;int shared_data = 0;void *thread_func(void *arg){    int i;    for (i = 0; i < 1000000; i++) {        pthread_mutex_lock(&mutex);        shared_data++;        pthread_mutex_unlock(&mutex);    }    return NULL;}int main(){    pthread_t thread1, thread2;    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);    pthread_create(&thread1, NULL, thread_func, NULL);    pthread_create(&thread2, NULL, thread_func, NULL);    pthread_join(thread1, NULL);    pthread_join(thread2, NULL);    pthread_mutex_destroy(&mutex);    printf("Shared data: %d\n", shared_data);    return 0;}

在这个程序中,thread_func函数是两个线程执行的函数,它会对shared_data变量进行1000000次加一操作。

为了确保多个线程不会同时访问shared_data变量,我们使用了一个互斥锁。当一个线程要访问shared_data变量时,它会调用pthread_mutex_lock函数来加锁。如果锁已经被其他线程持有,那么这个线程就会被阻塞,直到锁被释放为止。当线程完成对shared_data变量的操作后,它会调用pthread_mutex_unlock函数来释放锁。

在这个程序执行完毕后,我们可以通过打印shared_data变量的值来检查程序是否正确地同步了两个线程的访问。如果程序正确地同步了线程的访问,那么shared_data变量的值应该是2000000。

? 在使用互斥锁时,需要确保每个线程都在必要的时候释放锁。如果一个线程忘记释放锁,那么其他线程就会被永久地阻塞,程序就会死锁。另外,过度使用互斥锁也会降低程序的性能。

?因为加锁和释放锁的过程需要消耗一定的时间和系统资源,所以在设计程序时需要尽可能减少加锁和释放锁的次数。


三、条件变量

条件变量是Linux线程的另一种同步机制。它用于自动阻塞线程,直到某个特定事件发生或某个条件满足为止,通常情况下,条件变量是和互斥锁一起搭配使用的。使用条件变量主要包括两个动作:

  • 一个线程等待某个条件满足而被阻塞;

  • 另一个线程中,条件满足时发出“信号”

初始化条件变量

在使用条件变量之前,需要先对其进行初始化。以下是一个初始化条件变量的示例:

#include pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

等待条件变量

线程可以通过等待条件变量来暂停执行,并在条件变量被唤醒后继续执行。以下是一个等待条件变量的示例:

#include pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;void *thread_func(void *arg){    // 等待条件变量    pthread_mutex_lock(&mutex);    pthread_cond_wait(&cond, &mutex);    pthread_mutex_unlock(&mutex);    return NULL;}

在上面的示例中,线程会在pthread_cond_wait函数处等待条件变量cond。

在等待之前,线程必须先获取互斥锁mutex。等待函数会自动释放互斥锁,并在条件变量被唤醒后重新获取互斥锁。

唤醒等待条件变量的线程

线程可以通过发送信号来唤醒等待条件变量的线程。以下是一个发送信号的示例:

#include pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;void *thread_func(void *arg){    // 等待条件变量    pthread_mutex_lock(&mutex);    pthread_cond_wait(&cond, &mutex);    pthread_mutex_unlock(&mutex);    return NULL;}int main(){    // 唤醒等待条件变量的线程    pthread_mutex_lock(&mutex);    pthread_cond_signal(&cond);    pthread_mutex_unlock(&mutex);    return 0;}

在上面的示例中,主线程通过发送信号来唤醒等待条件变量的线程。在发送信号之前,主线程必须先获取互斥锁mutex。

广播唤醒等待条件变量的线程

有时候需要唤醒多个等待条件变量的线程,此时可以使用广播机制。以下是一个广播唤醒等待条件变量的线程的示例:

#include pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;void *thread_func(void *arg){    // 等待条件变量    pthread_mutex_lock(&mutex);    pthread_cond_wait(&cond, &mutex);    pthread_mutex_unlock(&mutex);    return NULL;}int main(){    // 广播唤醒等待条件变量的线程    pthread_mutex_lock(&mutex);    pthread_cond_broadcast(&cond);    pthread_mutex_unlock(&mutex);    return 0; }

在上面的示例中,主线程通过广播机制来唤醒等待条件变量的线程。在广播之前,主线程必须先获取互斥锁mutex。

等待特定条件的条件变量

有时候需要等待特定条件的条件变量,此时可以在等待函数中加入判断条件。以下是一个等待特定条件的条件变量的示例:

#include pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;int condition = 0;void *thread_func(void *arg){    // 等待特定条件的条件变量    pthread_mutex_lock(&mutex);    while (condition == 0) {        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);    }    pthread_mutex_unlock(&mutex);    return NULL;}int main(){    // 设置特定条件并唤醒等待条件变量的线程    pthread_mutex_lock(&mutex);    condition = 1;    pthread_cond_signal(&cond);    pthread_mutex_unlock(&mutex);    return 0;}

在上面的示例中,线程会在while循环中等待特定条件的条件变量cond。在等待之前,线程必须先获取互斥锁mutex。

主线程通过设置特定条件并发送信号来唤醒等待条件变量的线程。

销毁条件变量

在不需要使用条件变量时,需要将其销毁以释放资源。以下是一个销毁条件变量的示例:

#include pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;int main(){    // 销毁条件变量    pthread_cond_destroy(&cond);    return 0;}

在上面的示例中,通过调用pthread_cond_destroy函数来销毁条件变量cond。

示例程序

下面是一个简单的示例程序,演示了如何使用条件变量来实现线程间的同步。

#include #include #include pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;int shared_data = 0;void *thread_func1(void *arg){    printf("Thread 1 started\n");    pthread_mutex_lock(&mutex);    while (shared_data < 10) {        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);    }    printf("Thread 1 read shared_data: %d\n", shared_data);    pthread_mutex_unlock(&mutex);    printf("Thread 1 finished\n");    return NULL;}void *thread_func2(void *arg){    printf("Thread 2 started\n");    for (int i = 0; i < 10; i++) {        pthread_mutex_lock(&mutex);        shared_data++;        printf("Thread 2 wrote shared_data: %d\n", shared_data);        if (shared_data == 10) {            pthread_cond_signal(&cond);        }        pthread_mutex_unlock(&mutex);    }    printf("Thread 2 finished\n");    return NULL;}int main(){    pthread_t thread1, thread2;    pthread_create(&thread1, NULL, thread_func1, NULL);    pthread_create(&thread2, NULL, thread_func2, NULL);    pthread_join(thread1, NULL);    pthread_join(thread2, NULL);    pthread_mutex_destroy(&mutex);    pthread_cond_destroy(&cond);    return 0;}

在这个程序中,我们创建了两个线程,分别执行thread_func1thread_func2函数。

thread_func1函数等待shared_data变量的值达到10后再继续执行,并输出到控制台上。

thread_func2函数将shared_data变量的值加1,并在shared_data变量的值等于10时,发送一个信号通知thread_func1函数可以继续执行。

需要注意的是,我们在thread_func1函数中使用了pthread_cond_wait函数来等待条件变量,而在thread_func2函数中使用了pthread_cond_signal函数来发送条件变量。

当一个线程等待条件变量时,它会释放掉与条件变量相关的锁,并进入睡眠状态。当另一个线程发送条件变量时,它会唤醒等待条件变量的线程,并重新获取与条件变量相关的锁。

四、信号量

信号量是一种计数器,用于同步和互斥访问共享资源。它是一个整数变量,可以使用原子操作来访问。

当多个线程需要同时访问共享资源时,它们必须先获取一个信号量,然后访问资源,并在访问完成后释放信号量。

如果信号量的计数器值为零,则线程会被阻塞,直到有其他线程释放信号量。

在Linux中,信号量的API是sem_initsem_waitsem_postsem_destroy

初始化信号量

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

sem_init() 函数用于初始化信号量。它接受三个参数:

  • sem:指向信号量的指针
  • pshared:指示信号量是进程共享还是线程共享的标志。如果为 0,则信号量被限制在当前进程的线程中;否则,信号量可以被多个进程共享。
  • value:信号量的初始值。如果为 0,则调用线程将等待,直到其他线程释放信号量。

等待信号量

int sem_wait(sem_t *sem);

sem_wait() 函数用于等待信号量。

如果信号量的值大于 0,则将该值减 1 并返回。否则,调用线程将被阻塞,直到其他线程释放信号量为止。

释放信号量

int sem_post(sem_t *sem);

sem_post() 函数用于释放信号量。它将信号量的值加 1,并通知等待该信号量的线程或进程。

销毁信号量

int sem_destroy(sem_t *sem);

sem_destroy() 函数用于销毁信号量。它将释放信号量使用的资源,并将其重置为未初始化状态。但是,只有在没有线程等待信号量时才能销毁它。

示例程序

下面是一个简单的示例程序,演示了如何使用信号量来实现生产者消费者模式。

#include #include #include #include #define BUFFER_SIZE 10sem_t empty, full;pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;int buffer[BUFFER_SIZE];int buffer_index = 0;void *producer(void *arg){    printf("Producer started\n");    for (int i = 0; i < BUFFER_SIZE * 2; i++) {        sem_wait(&empty);        pthread_mutex_lock(&mutex);        buffer[buffer_index] = i;        buffer_index++;        printf("Produced: %d\n", i);        pthread_mutex_unlock(&mutex);        sem_post(&full);    }    printf("Producer finished\n");    return NULL;}void *consumer(void *arg){    printf("Consumer started\n");    for (int i = 0; i < BUFFER_SIZE * 2; i++) {        sem_wait(&full);        pthread_mutex_lock(&mutex);        buffer_index--;        printf("Consumed: %d\n", buffer[buffer_index]);        pthread_mutex_unlock(&mutex);        sem_post(&empty);    }    printf("Consumer finished\n");    return NULL;}int main(){    sem_init(&empty, 0, BUFFER_SIZE);    sem_init(&full, 0, 0);    pthread_t producer_thread, consumer_thread;    pthread_create(&producer_thread, NULL, producer, NULL);    pthread_create(&consumer_thread, NULL, consumer, NULL);    pthread_join(producer_thread, NULL);    pthread_join(consumer_thread, NULL);    sem_destroy(&empty);    sem_destroy(&full);    pthread_mutex_destroy(&mutex);    return 0;}

在这个程序中,我们使用了两个信号量,一个是empty,用于表示缓冲区中的空闲空间数量,另一个是full,用于表示缓冲区中已经存储的数据数量。

在生产者线程中,当需要向缓冲区中添加数据时,它会先等待empty信号量,以确保缓冲区中有足够的空间来存储数据。

一旦empty信号量的计数器值大于零,生产者线程会使用pthread_mutex_lock来保护缓冲区,然后向缓冲区中添加数据,并发送一个full信号量的信号,以通知消费者线程可以从缓冲区中获取。

五、读写锁

Linux读写锁(Read-Write Lock)是一种用于多线程并发控制的同步机制,它允许多个线程同时读取共享资源,但在写入操作时,只允许一个线程进行,以避免数据竞争和不一致性。

初始化读写锁

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

其中rwlock为读写锁指针,attr为读写锁属性指针。如果attr为NULL,则使用默认属性。成功返回0,失败返回错误码。

销毁读写锁

int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock); 

其中rwlock为读写锁指针。成功返回0,失败返回错误码。

加读锁

int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock); 

其中rwlock为读写锁指针。如果当前有写锁或正在等待写锁,则阻塞等待。成功返回0,失败返回错误码。

加写锁

int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock); 

其中rwlock为读写锁指针。如果当前有读锁或写锁或正在等待读锁或写锁,则阻塞等待。成功返回0,失败返回错误码。

解锁

int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

其中rwlock为读写锁指针。成功返回0,失败返回错误码。

示例程序

下面是一个简单的使用读写锁的例子,用于演示读写锁的使用方法。

#include #include #include pthread_rwlock_t rwlock;int count = 0;void *write_thread(void *arg){    while(1) {        pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);        count++;        printf("write thread: count=%d\n", count);        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);        sleep(1);    }    return NULL;}void *read_thread(void *arg){    while(1) {        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);        printf("read thread: count=%d\n", count);        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);        sleep(1);    }    return NULL;}int main(){    pthread_t tid1, tid2;    pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);    pthread_create(&tid1, NULL, write_thread, NULL);    pthread_create(&tid2, NULL, read_thread, NULL);    pthread_join(tid1, NULL);    pthread_join(tid2, NULL);    pthread_rwlock_destroy(&rwlock);    return 0;}

该例子中,我们定义了两个线程write_thread和read_thread。

其中write_thread对共享变量count进行写操作,read_thread对共享变量count进行读操作。

我们使用pthread_rwlock_init函数初始化读写锁,然后使用pthread_rwlock_wrlock函数和pthread_rwlock_rdlock函数对共享变量进行加锁,保证写线程和读线程互斥访问共享变量。

在加锁后,线程对共享变量进行操作,然后使用pthread_rwlock_unlock函数进行解锁。最后,我们使用pthread_rwlock_destroy函数销毁读写锁。

当我们运行这个程序时,会发现write_thread线程每隔一秒钟就会增加共享变量count的值,并打印出来。

而read_thread线程每隔一秒钟就会读取并打印共享变量count的值。

由于读写锁的存在,这两个线程可以安全地并发访问共享变量,避免了数据竞争和不一致性的问题。

小结

了解这些同步机制可以帮助我们写出高效且正确的多线程应用程序。不同的同步机制适用于不同的情况,选择适当的同步机制也是非常重要的。