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linux實作執行緒同步有幾種方式

青灯夜游
青灯夜游原創
2022-07-01 19:39:234882瀏覽

6種方式：1、互斥鎖，本質就是一個特殊的全域變量，擁有lock和unlock兩種狀態；2、自旋鎖，是一個死循環，不停的輪詢；3 、信號量，用於控制訪問有限共享資源的線程數；4、條件變量，可以讓調用線程在滿足特定條件的情況下運行，不滿足條件時阻塞等待被喚醒；5、讀寫鎖，一次只能有一個執行緒可以佔有寫入模式的讀寫鎖定；6、屏障，是使用者協調多個執行緒並行工作的同步機制。

linux實作執行緒同步有幾種方式

本教學操作環境：linux7.3系統、Dell G3電腦。

linux中實作執行緒同步的6種方法

下面是一個執行緒不安全的範例：

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

int ticket_num=10000000;

void *sell_ticket(void *arg) {
    while(ticket_num>0) {
	ticket_num--;
    }
}

int main() {
    pthread_t t1,t2,t3;
    pthread_create(&t1, NULL, &sell_ticket, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, &sell_ticket, NULL);
    pthread_create(&t3, NULL, &sell_ticket, NULL);
    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);
    pthread_join(t3, NULL);
    printf("ticket_num=%d\n", ticket_num);
    return 0;
}

運行結果如下：

# gcc no_lock_demo.c -o no_lock_demo.out -pthread
# ./no_lock_demo.out 
ticket_num=-2

最後運行的結果不是固定的，有可能是0、-1，如果有這個ticket_num變數代表是庫存的話，那麼就會出現庫存為負數的情況，所以需要引入線程同步來保證線程安全。

Linux下方提供了多種方式來處理執行緒同步，最常用的是互斥鎖、自旋鎖、訊號量。

互斥鎖

互斥鎖本質就是一個特殊的全域變量，擁有lock和unlock兩種狀態，unlock的互斥鎖可以由某個執行緒獲得，當互斥鎖由某個線程持有後，這個互斥鎖會鎖上變成lock狀態，此後只有該線程有權力打開該鎖，其他想要獲得該互斥鎖的線程都會阻塞，直到互斥鎖解鎖。

互斥鎖的類型：

  • 普通鎖定（PTHREAD_MUTEX_NORMAL）：互斥鎖定預設類型。當一個執行緒對一個普通鎖加鎖以後，其餘請求該鎖的執行緒將形成一個 等待隊列，並在該鎖解鎖後按照優先順序獲得它，這種鎖類型保證了資源分配的公平性。一個線程如果對一個已經加鎖的普通鎖再次加鎖，將引發死鎖；對一個已經被其他線程加鎖的普通鎖解鎖，或者對一個已經解鎖的普通鎖再次解鎖，將導致不可預期的後果。

  • 檢錯鎖（PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK）：一個執行緒如果對一個已經加鎖的檢錯鎖再次加鎖，則加鎖操作會傳回EDEADLK；對一個已經被其他執行緒加鎖的檢錯鎖解鎖或對一個已經解鎖的檢錯鎖再次解鎖，則解鎖操作返回EPERM。

  • 巢狀鎖定（PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE）：此鎖定允許一個執行緒在釋放鎖定之前多次對它加鎖而不發生死鎖；其他執行緒要取得這個鎖，則目前鎖定的擁有者必須執行多次解鎖操作；對一個已經被其他線程加鎖的嵌套鎖解鎖，或者對一個已經解鎖的嵌套鎖再次解鎖，則解鎖操作返回EPERM。

  • 預設鎖（PTHREAD_MUTEX_ DEFAULT）：一個執行緒如果對一個已經加鎖的預設鎖再次加鎖，或者雖一個已經被其他執行緒加鎖的預設鎖解鎖，或者對一個解鎖的預設鎖解鎖，將導致不可預期的後果；這種鎖實現的時候可能被映射成上述三種鎖之一。

相關方法：

// 静态方式创建互斥锁
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; 

// 动态方式创建互斥锁，其中参数mutexattr用于指定互斥锁的类型，具体类型见上面四种，如果为NULL，就是普通锁。
int pthread_mutex_init (pthread_mutex_t* mutex,const pthread_mutexattr_t* mutexattr);

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); // 加锁，阻塞
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex); // 尝试加锁，非阻塞
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex); // 解锁

範例：

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

int ticket_num=10000000;

pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void *sell_ticket(void *arg) {
    while(ticket_num>0) {
	pthread_mutex_lock(&mutex);
	if(ticket_num>0) {
	    ticket_num--;
	}
	pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
}

int main() {
    pthread_t t1,t2,t3;
    pthread_create(&t1, NULL, &sell_ticket, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, &sell_ticket, NULL);
    pthread_create(&t3, NULL, &sell_ticket, NULL);
    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);
    pthread_join(t3, NULL);
    printf("ticket_num=%d\n", ticket_num);
    return 0;
}

自旋鎖定

自旋鎖顧名思義就是一個死循環，不停的輪詢，當一個線程未獲得自旋鎖時，不會像互斥鎖一樣進入阻塞休眠狀態，而是不停的輪詢獲取鎖，如果自旋鎖能夠很快被釋放，那麼性能就會很高，如果自旋鎖長時間不能夠被釋放，甚至裡面還有大量的IO阻塞，就會導致其他獲取鎖的線程一直空輪詢，導致CPU使用率達到100% ，特別CPU時間。

相關方法：

int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t *lock, int pshared); // 创建自旋锁

int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t *lock); // 加锁，阻塞
int pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t *lock); // 尝试加锁，非阻塞
int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t *lock); // 解锁

範例：

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

int ticket_num=10000000;

pthread_spinlock_t spinlock;

void *sell_ticket(void *arg) {
    while(ticket_num>0) {
	pthread_spin_lock(&spinlock);
	if(ticket_num>0) {
	    ticket_num--;
	}
	pthread_spin_unlock(&spinlock);
    }
}

int main() {
    pthread_spin_init(&spinlock, 0);
    pthread_t t1,t2,t3;
    pthread_create(&t1, NULL, &sell_ticket, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, &sell_ticket, NULL);
    pthread_create(&t3, NULL, &sell_ticket, NULL);
    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);
    pthread_join(t3, NULL);
    printf("ticket_num=%d\n", ticket_num);
    return 0;
}

信號量

訊號量是計數器，用來控制存取有限共享資源的執行緒數。

相關方法：

// 创建信号量
// pshared：一般取0，表示调用进程的信号量。非0表示该信号量可以共享内存的方式，为多个进程所共享(Linux暂不支持)。
// value：信号量的初始值，可以并发访问的线程数。
int sem_init (sem_t* sem, int pshared, unsigned int value);

int sem_wait (sem_t* sem); // 信号量减1，信号量为0时就会阻塞

int sem_trywait (sem_t* sem); // 信号量减1，信号量为0时返回-1，不阻塞

int sem_timedwait (sem_t* sem, const struct timespec* abs_timeout); // 信号量减1，信号量为0时阻塞，直到abs_timeout超时返回-1

int sem_post (sem_t* sem); // 信号量加1

範例：

#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include <semaphore.h>

int ticket_num=10000000;

sem_t sem;

void *sell_ticket(void *arg) {
    while(ticket_num>0) {
	sem_wait(&sem);
	if(ticket_num>0) {
	    ticket_num--;
	}
	sem_post(&sem);
    }
}

int main() {
    sem_init(&sem, 0, 1); // value=1表示最多1个线程同时访问共享资源，与互斥量等价
    pthread_t t1,t2,t3;
    pthread_create(&t1, NULL, &sell_ticket, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, &sell_ticket, NULL);
    pthread_create(&t3, NULL, &sell_ticket, NULL);
    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);
    pthread_join(t3, NULL);
    printf("ticket_num=%d\n", ticket_num);
    return 0;
}

條件變數

條件變數可以讓呼叫執行緒在滿足特定條件的情況下運行，不滿足條件時阻塞等待被喚醒，必須與互斥鎖搭配使用。

條件變數常用於生產者與消費者模型。

相關方法：

pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER; // 创建条件变量，一个互斥锁可以对应多个条件变量

int pthread_cond_wait (pthread_cond_t* cond,pthread_mutex_t* mutex); // 阻塞等待条件满足，同时释放互斥锁mutex

int pthread_cond_timedwait (pthread_cond_t* cond,
    pthread_mutex_t* mutex,
    const struct timespec* abstime); // 带超时的阻塞等待条件满足，同时释放互斥锁mutex

// 从条件变量cond中唤出一个线程，令其重新获得原先的互斥锁
// 被唤出的线程此刻将从pthread_cond_wait函数中返回，但如果该线程无法获得原先的锁，则会继续阻塞在加锁上。
int pthread_cond_signal (pthread_cond_t* cond);

// 从条件变量cond中唤出所有线程
int pthread_cond_broadcast (pthread_cond_t* cond);

範例：

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

int max_buffer=10;
int count=0;

pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t notempty=PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_cond_t notfull=PTHREAD_COND_INITIALIZER;

void *produce(void *args) {
    while(1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while(count == max_buffer) {
            printf("buffer is full, wait...\n");
            pthread_cond_wait(&notfull, &mutex);
        }
        printf("produce ...\n");
        count++;
        sleep(1);
        pthread_cond_signal(&notempty);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }

}

void *consumer(void *args) {
    while(1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while(count == 0) {
            printf("buffer is empty, wait...\n");
            pthread_cond_wait(&notempty, &mutex);
        }
        printf("consumer ...\n");
        count--;
        sleep(1);
        pthread_cond_signal(&notfull);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }

}

int main() {
    pthread_t t1,t2,t3,t4;
    pthread_create(&t1, NULL, &produce, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, &produce, NULL);

    pthread_create(&t3, NULL, &consumer, NULL);
    pthread_create(&t4, NULL, &consumer, NULL);

    pthread_join(t1, NULL);
    return 0;
}

#讀取寫鎖定

讀寫鎖定可以有三種狀態：讀取模式下加鎖狀態，寫入模式下加鎖狀態，不加鎖狀態。一次只有一個執行緒可以佔有寫入模式的讀寫鎖定，但是多個執行緒可以同時佔有讀取模式的讀寫鎖定。讀寫鎖也叫做共享-獨佔鎖，當讀寫鎖以讀模式鎖住時，它是以共享模式鎖住的，當它以寫模式鎖住時，它是以獨佔模式鎖住的，讀讀共享，讀寫互斥。

一次只能有一個執行緒可以佔有寫入模式的讀寫鎖，但是多個執行緒可以同時戰友讀模式的讀寫鎖定。因此與互斥量相比，讀寫鎖定允許更高的並行性。讀寫鎖定非常適合對資料結構讀取的次數遠大於寫的情況。

相關方法：

// 创建读写锁
pthread_rwlock_t rwlock=PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;

int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 加读锁，阻塞
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 加写锁，阻塞
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 释放读锁或者写锁

int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 尝试加读锁，非阻塞
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 尝试加写锁，非阻塞

範例：

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

pthread_rwlock_t rwlock=PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;

void *read(void *arg) {
    while(1) {
        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
        rintf("read message.\n");
        sleep(1);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        sleep(1);
    }
}
void *write(void *arg) {
    while(1) {
        pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
        printf("write message.\n");
        sleep(1);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        sleep(1);
    }
}

int main(int argc,char *argv[]) {
    pthread_t t1,t2,t3;
    pthread_create(&t1, NULL, &read, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, &read, NULL);

    pthread_create(&t3, NULL, &write, NULL);

    pthread_join(t1, NULL);
    return 0;
}

屏障

屏障（barrier)是用户协调多个线程并行工作的同步机制。屏障允许每个线程等待，直到所有的合作线程都到达某一点，然后所有线程都从该点继续执行。pthread_join函数就是一种屏障，允许一个线程等待，直到另一个线程退出。但屏障对象的概念更广，允许任意数量的线程等待，直到所有的线程完成处理工作，而线程不需要退出，当所有的线程达到屏障后可以接着工作。

相关方法：

// 创建屏障
int pthread_barrier_init(pthread_barrier_t *barrier,const pthread_barrrierattr_t *attr,unsigned int count)

// 阻塞等待，直到所有线程都到达
int pthread_barrier_wait(pthread_barrier_t *barrier)

例子：

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

pthread_barrier_t barrier;

void *go(void *arg){
    sleep (rand () % 10);
    printf("%lu is arrived.\n", pthread_self());
    pthread_barrier_wait(&barrier);
    printf("%lu go shopping...\n", pthread_self());
}

int main() {
    pthread_barrier_init(&barrier, NULL, 3);

    pthread_t t1,t2,t3;
    pthread_create(&t1, NULL, &go, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, &go, NULL);
    pthread_create(&t3, NULL, &go, NULL);

    pthread_join(t1, NULL);
    return 0;
}

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