1. 概述
- 当有多个线程访问同一个共享资源(临界资源)时,且不允许同时访问,那么就需要线程同步。
- 常见的线程同步方式:互斥锁、读写锁、条件变量、信号量。
2. 互斥锁
互斥锁的方式可以简单概括为:锁定操作临界资源的代码片段,锁定后每次只能由一个线程来进行操作。这样能够解决多个线程同时访问临界资源造成的数据混乱,但是降低了执行效率(因为并行操作变成了串行操作)。
【1】互斥锁类型:pthread_mutex_t。创建一个该类型的变量就得到一把互斥锁。该变量中保存了锁的状态(打开还是锁定),若为锁定则保存了加锁的线程ID。锁定时其他线程将会阻塞,直到这个互斥锁被打开。
以下函数的返回值:成功返回0,失败返回错误号。
【2】初始化互斥锁:
//restrict:是一个修饰指针的关键字,该关键字修饰的指针可以访问指向的内存地址,其他指针不行
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,
const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
//mutex: 互斥锁地址
//attr: 互斥锁属性,一般为NULL默认属性
【3】释放互斥锁资源:
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
【4】加锁(阻塞):
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
//若锁是打开的,那么加锁成功,锁会记录线程ID。
//若锁是锁定的,那么加锁失败,线程阻塞在此,直到上一个线程解锁。
【5】加锁(非阻塞):
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
//若加锁失败,则不会阻塞,而是直接返回错误号。
【6】解锁:
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
//解锁还需加锁人,哪个线程加的锁就得哪个线程来解锁。
程序实例:创建两个子线程对全局变量number进行+1操作。若不使用互斥锁,就会造成数据混乱。使用了互斥锁,运行正常。
#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <unistd.h> pthread_mutex_t mutex; //全局的互斥锁 int number = 0; //全局变量 //线程t1执行函数 void* funA(void *arg) { for (int i = 0; i < 50; i++) { pthread_mutex_lock(&mutex); int cur = number; cur++; usleep(10); number = cur; printf("线程1的ID: %ld, number: %d\n", pthread_self(), number); pthread_mutex_unlock(&mutex); } return NULL; } //线程t2执行函数 void* funB(void *arg) { for (int i = 0; i < 50; i++) { pthread_mutex_lock(&mutex); int cur = number; cur++; number = cur; printf("线程2的ID: %ld, number: %d\n", pthread_self(), number); usleep(5); pthread_mutex_unlock(&mutex); } return NULL; } //主函数 int main(int argc, char **argv) { /* 初始化互斥锁 */ pthread_mutex_init(&mutex, NULL); /* 创建两个子线程 */ pthread_t t1, t2; pthread_create(&t1, NULL, funA, NULL); pthread_create(&t2, NULL, funB, NULL); /* 阻塞回收两个子线程*/ pthread_join(t1, NULL); pthread_join(t2, NULL); /* 销毁互斥锁 */ pthread_mutex_destroy(&mutex); return 0; }
3. 死锁
- 互斥锁若使用不当,就会造成死锁。一旦多线程造成死锁,就会使得所有线程处于阻塞状态,且无法解除。
- 常见的死锁场景:①加锁后忘记解锁;②重复加锁;③存在多个共享资源,随意加锁。
- 避免死锁:①多检查代码;②对共享资源访问完毕后解锁,或者在加锁时使用trylock非阻塞;③引入一些专门用于死锁检测的模块;④如果程序中有多把锁, 可以控制对锁的访问顺序。另外,在加其它锁之前先释放拥有的互斥锁。
4. 自旋锁
【1】介绍:
- 自旋锁与互斥锁类似,但是自旋锁在试图上锁时是不断“自旋”查看锁是否被释放,CPU资源占用多。因此,使用自旋锁的效率不高,在用户程序中很少使用自旋锁,更多的是在内核中使用、针对执行时间少的代码。
- 互斥锁是基于自旋锁实现的,所以自旋锁更加底层。
【2】自旋锁类型:pthread_spinlock_t。创建一个该类型的变量就得到一把自旋锁。
以下函数的返回值:成功返回0,失败返回错误号。
【3】初始化/销毁自旋锁:
int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t *lock, int pshared);//初始化
//lock: 自旋锁的地址
//pshared: 表示自旋锁的进程共享属性
//PTHREAD_PROCESS_SHARED: 共享自旋锁。该自旋锁可以在多个进程中的线程之间共享
//PTHREAD_PROCESS_PRIVATE: 私有自旋锁。只有本进程内的线程才能够使用该自旋锁
int pthread_spin_destroy(pthread_spinlock_t *lock);//销毁
【4】自旋锁的加锁和解锁:
int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t *lock); //加锁(一直自旋)
int pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t *lock); //加锁(返回错误,错误码EBUSY)
int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t *lock); //解锁
程序实例:创建两个子线程来对全局变量+1(每个线程循环10000次)。
#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <stdlib.h> int count = 0;//全局变量(临界区资源) pthread_spinlock_t locker;//自旋锁 /* 线程执行函数 */ void* doing(void* arg) { for (int i = 0; i < 10000; ++i) { //自旋锁加锁 pthread_spin_lock(&locker); //操作临界区资源 int tmp = count; tmp++; count = tmp; //自旋锁解锁 pthread_spin_unlock(&locker); } return NULL; } /* 主函数 */ int main(int argc, char** argv) { //初始化自旋锁 pthread_spin_init(&locker, PTHREAD_PROCESS_PRIVATE); //创建两个子线程 pthread_t tid[2]; for (int i = 0; i < 2; ++i) { if (pthread_create(&tid[i], NULL, doing, NULL)) { perror("pthread_create error"); exit(-1); } } //阻塞回收子线程 for (int i = 0; i < 2; ++i) { if (pthread_join(tid[i], NULL)) { perror("pthread_join error"); exit(-1); } } //打印全局变量 printf("count = %d\n", count); //销毁自旋锁 pthread_spin_destroy(&locker); return 0; }
5. 读写锁
读写锁可以视为互斥锁的升级版,可以指定锁定的是读操作还是写操作,且同一时间内只能锁定其中一个操作。读写锁的使用方式与互斥锁相同。
【1】读写锁类型:pthread_rwlock_t。创建一个该类型的变量就得到一把读写锁。读写锁中保存了以下信息:①锁的状态(打开还是锁定);②锁的是哪个操作(读/写);③哪个线程锁定了这把锁。
【2】读写锁特点:
- 使用读写锁的读锁锁定了临界区,那么读操作是并行的。
- 使用读写锁的写锁锁定了临界区,那么写操作是串行的。
- 使用读写锁的读锁和写锁分别锁定了两个临界区,那么访问写锁的线程优先进入。因为写锁的优先级高于读锁。
以下函数的返回值:成功返回0,失败返回错误号。
【3】初始化读写锁:
//restrict:是一个修饰指针的关键字,该关键字修饰的指针可以访问指向的内存地址,其他指针不行
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,
const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);
//rwlock: 读写锁地址
//attr: 读写锁属性,一般为NULL默认属性
【3】释放读写锁资源:
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
【4】锁定读操作(阻塞):
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
//若读写锁均打开,那么锁定读操作成功。
//若读写锁中读锁锁定,那么锁定读操作成功。因为读锁是共享的。
//若读写锁中写锁锁定,那么会阻塞。
【5】锁定读操作(非阻塞):
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
//若读写锁均打开,那么锁定读操作成功。
//若读写锁中读锁锁定,那么锁定读操作成功。因为读锁是共享的。
//若读写锁中写锁锁定,那么会返回错误号,而不会阻塞。
【6】锁定写操作(阻塞):
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
//若读写锁均打开,锁定写操作成功。
//若读写锁中读锁或写锁锁定了,那么就会阻塞。
【7】锁定写操作(非阻塞):
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
//若读写锁均打开,锁定写操作成功。
//若读写锁中读锁或写锁锁定了,那么返回错误号,而不会阻塞。
【8】解锁:
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
//不管锁定的是读锁还是写锁,都能解锁。
程序实例:创建3个子线程进行写操作,创建5个子线程进行读操作。它们都针对一个全局变量。
#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <unistd.h> #include <stdlib.h> int number = 0; //全局变量(临界资源) pthread_rwlock_t rwlocker; //全局的读写锁 /* 写线程执行函数 */ void* writeNum(void *arg) { while (1) { pthread_rwlock_wrlock(&rwlocker); int cur = number; cur++; number = cur; printf("写操作完毕!number = %d, tid: %ld\n", number, pthread_self()); pthread_rwlock_unlock(&rwlocker); usleep(rand() % 100);//让子线程交替写 } return NULL; } /* 读线程执行函数 */ void* readNum(void *arg) { while (1) { pthread_rwlock_rdlock(&rwlocker); printf("读操作完毕!number = %d, tid: %ld\n", number, pthread_self()); pthread_rwlock_unlock(&rwlocker); usleep(rand() % 100); } return NULL; } /* 主函数 */ int main(int argc, char **argv) { //初始化读写锁 pthread_rwlock_init(&rwlocker, NULL); //创建8个线程,3个为写线程,5个为读线程 pthread_t wtid[3]; pthread_t rtid[5]; for (int i = 0; i < 3; i++) { pthread_create(&wtid[i], NULL, writeNum, NULL); } for (int i = 0; i < 5; i++) { pthread_create(&rtid[i], NULL, readNum, NULL); } //主线程回收8个线程 for (int i = 0; i < 3; i++) { pthread_join(wtid[i], NULL); } for (int i = 0; i < 5; i++) { pthread_join(rtid[i], NULL); } //释放读写锁 pthread_rwlock_destroy(&rwlocker); return 0; }
6. 条件变量
条件变量的作用是进行线程的阻塞,而不是线程同步。当满足某个特定条件时才会阻塞线程。一般用于生产者-消费者模型,且和互斥锁相互配合。
【1】条件变量类型:pthread_cond_t。被条件变量阻塞的线程的信息会被记录到该类型的变量中,以便在解除阻塞时使用。
【2】初始化条件变量:
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,
const pthread_condattr_t *restrict attr);
//cond:条件变量的地址
//attr:条件变量的属性,一般为NULL。
【3】释放条件变量资源:
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
【4】阻塞线程:
// 线程阻塞函数, 哪个线程调用这个函数, 哪个线程就会被阻塞
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);
//mutex是互斥锁,用于线程同步。
//当阻塞线程时,若线程已经对互斥锁mutex上锁,那么会将这把锁打开,这样做是为了避免死锁
//当线程解除阻塞时,函数内部会帮助这个线程再次将这个mutex锁上,继续向下访问临界区
【5】阻塞线程(时间到解除):
// 将线程阻塞一定的时间长度, 时间到达之后, 线程就解除阻塞了
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,
pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime);
// 以下结构体表示的时间是从1971.1.1到某个时间点的时间, 总长度使用秒/纳秒表示
struct timespec {
time_t tv_sec; /* Seconds */
long tv_nsec; /* Nanoseconds [0 .. 999999999] */
};
//使用示例
time_t mytim = time(NULL); // 1970.1.1 0:0:0 到当前的总秒数
struct timespec tmsp;
tmsp.tv_nsec = 0;
tmsp.tv_sec = time(NULL) + 100; // 线程阻塞100s
【6】解除阻塞(至少一个线程):
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
【7】解除阻塞(全部线程):
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
生产者-消费者模型:
①若干个生产者线程:生产商品放入任务队列中,若任务队列满则阻塞,可以使用一个生产者条件变量来控制是否阻塞。
②若干个消费者线程:消费者从任务队列中拿走商品,若任务队列空则阻塞,可以使用一个消费者条件变量来控制是否阻塞。
③任务队列:可以是数组、链表、stl容器等等。
程序实例:使用条件变量实现生产者-消费者模型,生产者线程有5个,往链表头部添加节点;消费者线程也有5个,删除链表头部节点。
#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <unistd.h> #include <stdlib.h> /* 单链表定义 */ typedef struct LNode { int number; struct LNode *next; } LNode; /* 全局变量及锁 */ pthread_mutex_t mutex; //互斥锁 pthread_cond_t cond; //条件变量 LNode *head = NULL; //临界资源,单链表 /* 生产者执行函数 */ void* produce(void *arg) { while (1) { //生产商品,往链表头部添加节点 pthread_mutex_lock(&mutex); LNode *tmp = (LNode*)malloc(sizeof(LNode));//创建新节点 tmp->number = rand() % 100; tmp->next = head; head = tmp; printf("生产完毕! 新节点number: %d, 线程ID: %ld\n", tmp->number, pthread_self()); pthread_mutex_unlock(&mutex); //通知消费者拿走商品 pthread_cond_broadcast(&cond); sleep(rand() % 3);//生产慢一点 } return NULL; } /* 消费者执行函数 */ void* consume(void *arg) { while (1) { pthread_mutex_lock(&mutex); //无商品则等待 //这里不能用if,可能出现段错误,如下场景: //假设消费者线程1进入后阻塞,然后切换到生产者线程,解除其阻塞 //然后切换到消费者线程2拿走了商品,此时链表又是空。 //接着,切换回消费者线程1,由于if之前已经判定过了,这里直接进行后续操作, //从而出现段错误。因此通过while循环判断,当阻塞解除后也会再次判断。 while (head == NULL) { pthread_cond_wait(&cond, &mutex); } //拿走商品,删除链表头部节点 LNode *tmp = head; printf("消费完毕! 节点number: %d, 线程ID: %ld\n", tmp->number, pthread_self()); head = head->next; free(tmp); pthread_mutex_unlock(&mutex); sleep(rand() % 3); } return NULL; } /* 主函数 */ int main(int argc, char **argv) { //初始化锁和条件变量 pthread_mutex_init(&mutex, NULL); pthread_cond_init(&cond, NULL); //创建5个生产者线程和5个消费者线程 pthread_t ptid[5]; pthread_t ctid[5]; for (int i = 0; i < 5; i++) { pthread_create(&ptid[i], NULL, produce, NULL); } for (int i = 0; i < 5; i++) { pthread_create(&ctid[i], NULL, consume, NULL); } //主线程回收10个线程 for (int i = 0; i < 5; i++) { pthread_join(ptid[i], NULL); } for (int i = 0; i < 5; i++) { pthread_join(ctid[i], NULL); } //释放互斥锁和条件变量 pthread_mutex_destroy(&mutex); pthread_cond_destroy(&cond); return 0; }
7. 信号量
信号量(信号灯)用在多线程的多任务同步中,一个线程完成了某个任务就通过信号量告诉其它线程,其它线程再进行相关操作。信号量也是用于阻塞线程,要保证线程安全,需要信号量与互斥锁一起使用。
【1】信号量类型:sem_t。需要添加头文件<semaphore.h>.
【2】初始化信号量:
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
//sem: 信号量地址
//pshared: 0表示线程同步,非0表示进程同步
//value: 初始化当前信号量拥有的资源数>=0, 若资源数为0则阻塞
【3】释放信号量资源:
int sem_destroy(sem_t *sem);
//sem: 信号量地址
【4】消耗资源函数(阻塞):
//sem: 信号量地址
//函数被调用,sem中的资源就会被消耗1个
//当资源数为0时,线程就会阻塞
int sem_wait(sem_t *sem);
【5】消耗资源函数(非阻塞):
//sem: 信号量地址
//函数被调用,sem中的资源就会被消耗1个
//当资源数为0时,线程就会返回错误号,而不会阻塞
int sem_trywait(sem_t *sem);
【6】时间到解除阻塞:
int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);
//sem: 信号量地址
//abs_timeout: 与pthread_cond_timedwait中的参数一样
【7】增加资源函数:
//给sem中的资源数+1
//若资源数从0加到1,那么阻塞的线程就会解除阻塞
int sem_post(sem_t *sem);
【8】查看资源数:
//查看信号量sem中的整形数值, 这个值会被写到sval指针对应的内存中
int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);
程序实例:使用信号量实现生产者-消费者模型,生产者线程有5个,往链表头部添加节点;消费者线程也有5个,删除链表头部节点。同时,限定了平台容纳商品的最大容量为6个。我们可以设置两个信号量,分别来代表生产者线程生产的商品数量、平台中现有的商品数量(用于给消费者线程拿走)。
#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <semaphore.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> /* 单链表节点声明 */ typedef struct LNode{ int number; struct LNode *next; } LNode; /* 全局变量 */ sem_t psem; //生产者生产商品的信号量 sem_t csem; //消费者拿走时的信号量 pthread_mutex_t mutex; //互斥锁 LNode *head = NULL; //单链表(临界区资源) /* 生产者线程执行函数 */ void* produce(void *arg) { while (1) { //生产者信号量-1 sem_wait(&psem); //生产者生产商品 pthread_mutex_lock(&mutex); LNode *tmp = (LNode*)malloc(sizeof(LNode)); tmp->number = rand() % 100; tmp->next = head; head = tmp; printf("生产完毕!新节点number: %d, 线程ID: %ld\n", tmp->number, pthread_self()); pthread_mutex_unlock(&mutex); //消费者信号量+1 sem_post(&csem); sleep(rand() % 3); } return NULL; } /* 消费者线程执行函数 */ void* consume(void *arg) { while (1) { //消费者信号量-1 sem_wait(&csem); //消费者拿走商品 pthread_mutex_lock(&mutex); LNode *tmp = head; head = head->next; printf("消费完毕!节点number: %d, 线程ID: %ld\n", tmp->number, pthread_self()); free(tmp); pthread_mutex_unlock(&mutex); //生产者信号量+1 sem_post(&psem); sleep(rand() % 3); } return NULL; } /* 主函数 */ int main(int argc, char **argv) { //初始化信号量和互斥锁 sem_init(&psem, 0, 6);//平台最多容纳的商品数 sem_init(&csem, 0, 0);//平台最初没有商品 pthread_mutex_init(&mutex, NULL); //创建5个生产者线程,5个消费者线程 pthread_t ptid[5]; pthread_t ctid[5]; for (int i = 0; i < 5; i++) { pthread_create(&ptid[i], NULL, produce, NULL); } for (int i = 0; i < 5; i++) { pthread_create(&ctid[i], NULL, consume, NULL); } //释放线程资源 for (int i = 0; i < 5; i++) { pthread_join(ptid[i], NULL); } for (int i = 0; i < 5; i++) { pthread_join(ctid[i], NULL); } //释放其它资源 sem_destroy(&psem); sem_destroy(&csem); pthread_mutex_destroy(&mutex); return 0; }