多线程之互斥锁、条件变量

原 作者 朱新全 | 发表于 | 分类于 2014级

多线程

一个进程在同一时刻只能做一件事，而多个线程却可以同时执行，每个线程处理各自独立的任务。多线程有很多好处：

  • 简化处理异步事件的代码
  • 实现内存和文件描述符的共享
  • 改善程序的吞吐量
  • 改善响应时间

互斥锁

互斥锁:互斥锁通过锁机制来实现线程间的同步，在同一时刻通常只允许一个关键部分的代码

当多个线程控制相同的内存时，对于读写操作的时间差距就有可能会导致数据的不同步，下图就很清晰的说明了这种情况：
这里写图片描述
对于线程A、B此时对同一块内存进行操作，但是由于操作几乎是同时进行的，假设当线程A读入数据i之后，在对数据 i 自加1的同时线程B将原来内存中的数据 i 读出，然后线程A将自加后的数据再写入内存中，同时线程B对读取到的 i 加1，最后将其写入内存，这个程序原本是想通过两个线程对变量 i 进行两次自加运算最后预想的结果应当是7，最后却得到异常的结果。对于这种临界变量操作时就有可能导致意外的结果，因而出现了互斥锁和条件变量来保证数据只被一个线程操作。

下面程序的运行结果也很好的说明了多线程操作同一变量不稳定性：

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


int a = 0;      //用作要改变的全局变量
pthread_mutex_t mutex;  //互斥锁变量

void thread1(void *arg)
{
    //pthread_mutex_lock (&mutex); //加锁
    printf("thread1 a = %d\n", a);
    a++;
    //pthread_mutex_unlock (&mutex);
}


void thread2(void *arg)
{
    //pthread_mutex_lock (&mutex);
    printf("thread2 a = %d\n", a);
    a++;
    //pthread_mutex_unlock (&mutex);
}

void thread3(void *arg)
{
    //pthread_mutex_lock (&mutex);
    printf("thread3 a = %d\n", a);
    a++;
    //pthread_mutex_unlock (&mutex);
}

int main(void)
{
    pthread_t tid1, tid2, tid3;   //用于接收线程ID
    int       err;                //出错码
    void *    tret;               //返回值

    //创建三个线程
    pthread_create (&tid1, NULL, (void *)thread1, NULL);
    pthread_create (&tid2, NULL, (void *)thread2, NULL);
    pthread_create (&tid3, NULL, (void *)thread3, NULL);

    //等待辅线程结束
    err = pthread_join(tid1, &tret);
    if(err != 0)
    {
        perror("join");
    }
    err = pthread_join(tid2, &tret);
    if(err != 0)
    {
        perror("join");
    }
    err = pthread_join(tid3, &tret);
    if(err != 0)
    {
        perror("join");
    }

    printf("result a: %d\n", a);   //查看最后的结果
    exit(0);
}

多次执行结果如下：
这里写图片描述
发现几次的执行结果并不相同，本来程序是通过三个线程对同一个全局变量进行3次加1的操作结果应当为0， 1，2，3，由于线程间数据不同步所以导致了这样的结果。

当前我们将程序中各个thread函数中的注释取消之后就会得到这样的结果：
这里写图片描述
这里就体现了互斥锁来保证线程间数据的同步。

使用互斥锁应当注意：

  1. 使用之前必须进行初始化

  2. 加锁时，若锁变量已经被锁住，则当前尝试加锁的线程就会阻塞，直到互斥锁被其他线程释放

    阻塞：指调用结果返回之前，当前线程会被挂起（线程进入非可执行状态，在这个状态下，CPU不会给线程分配时间片，即线程暂停运行）。

  3. 调用解锁函数的线程必须是给互斥锁加锁的线程

  4. 当一个线程试图以另一个线程相反的顺序锁住互斥量的时候，就有可能出现死锁
  5. 如果线程试图对一个互斥量加锁两次，那么它自身就会陷入死锁状态

死锁：指两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁，这些永远在互相等待的进程称为死锁进程

条件变量

条件变量：是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制
使用条件变量要注意：

  1. 使用之前要初始化
  2. 条件变量通常是在互斥锁的保护下求值，若条件表达式为假，那么线程基于条件变量阻塞。
  3. 线程被条件变量阻塞后，可以通过pthread_cond_signal和pthread_cond_broadcast激活，pthread_cond_signal激活按照入队顺序激活一个等待线程，pthread_cond_broadcast则激活所有的等待线程
  4. 当一个条件变量不再使用时，需要将其清除，清除函数：pthread_cond_destory,只有在没有线程等待该条件变量的时候才能清除这个条件变量，否则返回EBUSY。
  5. 调用pthread_cond_wait()前必须有本线程加锁，防止多个线程同时请求pthread_cond_wait()。