寫在前面
1. 本文內(nèi)容對(duì)應(yīng)《UNIX環(huán)境高級(jí)編程》(第2版)》第11章。
2. 總結(jié)了線程同步的三種方法：互斥量、讀寫鎖以及條件變量。
3. 希望本文對(duì)您有所幫助，也歡迎您給我提意見(jiàn)和建議。
線程同步是一個(gè)老話題了。當(dāng)多個(gè)控制線程共享相同的內(nèi)存時(shí)，需要確保每個(gè)線程看到一致的數(shù)據(jù)視圖。APUE介紹的線程同步方式有：
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互斥量
互斥量（mutex）從本質(zhì)上說(shuō)是一把鎖，在訪問(wèn)共享資源前對(duì)互斥量進(jìn)行加鎖，在訪問(wèn)完成后釋放互斥量上的鎖。互斥變量用pthread_mutex_t數(shù)據(jù)類型來(lái)表示，在使用前必須對(duì)其進(jìn)行初始化。對(duì)于靜態(tài)分配的互斥量，可以把它設(shè)置為常量PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER。如果動(dòng)態(tài)地分配互斥量，可以通過(guò)調(diào)用pthread_mutex_init函數(shù)進(jìn)行初始化，并且在釋放內(nèi)存前需要調(diào)用pthread_mutex_destroy。當(dāng)參數(shù)attr置為NULL時(shí)，使用默認(rèn)的屬性初始化互斥量。
#include <pthread.h>
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,
const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
All return: 0 if OK, error number on failure
對(duì)互斥量加鎖需要調(diào)用pthread_mutex_lock，如果互斥量已經(jīng)上鎖，調(diào)用線程將阻塞直到互斥量被解鎖。對(duì)互斥量解鎖，需要調(diào)用pthread_mutex_unlock。如果線程不希望被阻塞，它可以使用pthread_mutex_trylock嘗試對(duì)互斥量進(jìn)行加鎖。如果調(diào)用pthread_mutex_trylock時(shí)互斥量處于未鎖住狀態(tài)，那么pthread_mutex_trylock將鎖住互斥量，不會(huì)出現(xiàn)阻塞并返回0，否則pthread_mutex_trylock就會(huì)失敗，不能鎖住互斥量，而返回EBUSY。
如果線程試圖對(duì)同一個(gè)互斥量加鎖兩次，那么它自身就會(huì)陷入死鎖狀態(tài)。可以通過(guò)小心地控制互斥量加鎖的順序來(lái)避免死鎖的發(fā)生。只有一個(gè)線程試圖以與另一個(gè)線程相反的順序鎖住互斥量時(shí)，才可能出現(xiàn)死鎖。如果無(wú)法控制互斥量加鎖的順序，可以在試圖加鎖時(shí)，先釋放占有的鎖，然后過(guò)段時(shí)間再試。
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讀寫鎖
讀寫鎖與互斥量類似，不過(guò)讀寫鎖允許更高的并行性。讀寫鎖可以有三種狀態(tài)：讀模式下加鎖狀態(tài)，寫模式下加鎖狀態(tài)，以及不加鎖狀態(tài)。一次只有一個(gè)線程可以占有寫模式的讀寫鎖，但是多個(gè)線程可以同時(shí)占有讀模式的讀寫鎖。因此，讀寫鎖也叫做共享-獨(dú)占鎖。讀寫鎖非常適用于對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)讀的次數(shù)遠(yuǎn)大于寫的情況。
與互斥量一樣，讀寫鎖在使用之前必須初始化，在釋放它們底層的內(nèi)存前必須銷毀。這通過(guò)pthread_rwlock_inti和pthread_rwlock_destroy函數(shù)完成。如果希望讀寫鎖有默認(rèn)的屬性，可以傳一個(gè)空指針給attr。要在讀模式下鎖定讀寫鎖，需要調(diào)用pthread_rwlock_rdlock；要在寫模式下鎖定讀寫鎖，需要調(diào)用pthread_rwlock_wrlock。不管以何種方式鎖住讀寫鎖，都可以調(diào)用pthread_rwlock_unlock進(jìn)行解鎖。如果希望線程不被阻塞，可以調(diào)用pthread_rwlock_tryrdlock和pthread_rwlock_trywrlock函數(shù)嘗試對(duì)讀寫鎖進(jìn)行加鎖。
#include <pthread.h>
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,
const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
All return: 0 if OK, error number on failure
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條件變量
條件變量與互斥量一起使用時(shí)，允許線程以無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的方式等待特定的條件發(fā)生。條件本身是由互斥量保護(hù)的，線程在改變條件前必須首先鎖住互斥量，且只有在鎖住互斥量以后才能計(jì)算條件。條件變量使用之前必須首先進(jìn)行初始化，pthread_cond_t數(shù)據(jù)類型代表的條件變量可以用兩種方式初始化。可以把常量PTHREAD_COND_INITIALIZER賦給靜態(tài)分配的條件變量，但是如果條件變量是動(dòng)態(tài)分配的，可以使用pthread_cond_init函數(shù)進(jìn)行初始化。在釋放底層的內(nèi)存空間前，可以使用pthread_mutex_destroy函數(shù)對(duì)條件變量進(jìn)行銷毀。除非需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)非默認(rèn)屬性的條件變量，否則pthread_cond_init函數(shù)的attr參數(shù)可以設(shè)置為NULL。
#include <pthread.h>
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,
pthread_condattr_t *restrict attr);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
All return: 0 if OK, error number on failure
使用pthread_cond_wait等待條件變?yōu)檎妫绻诮o定時(shí)間內(nèi)條件不能滿足，那么會(huì)生成一個(gè)代表出錯(cuò)碼的返回值。調(diào)用者需要把鎖住的互斥量傳給pthread_cond_wait對(duì)條件進(jìn)行保護(hù)。函數(shù)把調(diào)用線程放到等待條件的線程列表上，然后對(duì)互斥量解鎖，這兩個(gè)操作是原子操作。當(dāng)pthread_cond_wait返回時(shí)，互斥量再次被鎖住。
#include <pthread.h>
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,
pthread_mutex_t *restrict mutex,
const struct timespec *restrict timeout);
All return: 0 if OK, error number on failure
pthread_cond_timedwait函數(shù)的工作方式與pthread_cond_wait函數(shù)相似。timeout值指定了等待的時(shí)間，它通過(guò)timespec結(jié)構(gòu)指定。時(shí)間值用秒數(shù)或者分秒數(shù)表示，分秒數(shù)的單位是納秒。時(shí)間值是一個(gè)絕對(duì)數(shù)而不是相對(duì)數(shù)。可以使用gettimeofday獲取用timeval結(jié)構(gòu)表示的當(dāng)前時(shí)間，然后把這個(gè)時(shí)間加上要等待的時(shí)間轉(zhuǎn)換成timespec結(jié)構(gòu)。
struct timespec {
time_t tv_sec; /* seconds */
long tv_nsec; /* nanoseconds */
};
void maketimeout(struct timespec *tsp, long minutes)
{
struct timeval now;
/* get the current time */
gettimeofday(&now);
tsp->tv_sec = now.tv_sec;
tsp->tv_nsec = now.tv_usec * 1000; /* usec to nsec */
/* add the offset to get timeout value */
tsp->tv_sec += minutes * 60;
}
如果時(shí)間值到了但是條件還沒(méi)有出現(xiàn)，pthread_cond_timedwait將重新獲取互斥量，然后返回錯(cuò)誤ETIMEDOUT。從pthread_cond_wait或者pthread_cond_timedwait調(diào)用成功返回時(shí)，線程需要重新計(jì)算條件，因?yàn)槠渌€程可能已經(jīng)在運(yùn)行并改變了條件。
pthread_cond_signal函數(shù)將喚醒等待該條件的某個(gè)線程，而pthread_cond_broadcast函數(shù)將喚醒等待該條件的所有線程。必須注意一定要在改變條件狀態(tài)以后再喚醒等待線程。
#include <pthread.h>
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
All return: 0 if OK, error number on failure
使用范例如下：
#include <pthread.h>
struct msg {
struct msg *m_next;
/* ... more stuff here ... */
};
struct msg *workq;
pthread_cond_t qready = PTHREAD_COND_INITIALIZER; /*初始化條件變量*/
pthread_mutex_t qlock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; /*初始化互斥量*/
void process_msg(void)
{
struct msg *mp;
for (;;) {
pthread_mutex_lock(&qlock); /*條件本身由互斥量保護(hù)*/
while (workq == NULL) /*wait返回后要重新檢查條件*/
pthread_cond_wait(&qready, &qlock); /*wait期間釋放互斥量，返回時(shí)再次鎖住*/
mp = workq;
workq = mp->m_next;
pthread_mutex_unlock(&qlock); /*真正釋放互斥量*/
/* now process the message mp */
}
}
void enqueue_msg(struct msg *mp)
{
pthread_mutex_lock(&qlock); /*修改條件前鎖住互斥量*/
mp->m_next = workq;
workq = mp;
pthread_mutex_unlock(&qlock);
pthread_cond_signal(&qready); /*喚醒等待線程時(shí)不需要占有互斥量*/
/*如果希望在wait返回時(shí)不用再檢查條件，
就需要在喚醒時(shí)占有互斥量*/
}
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