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在多線程編程中，線程之間的同步和互斥是非常重要的話題，特別是在多個(gè)線程需要同時(shí)訪問共享資源的情況下，同步和互斥更是不可或缺的。在Linux系統(tǒng)下，有多種方法可以實(shí)現(xiàn)線程的同步和互斥，下面將介紹幾種較為常見的方法。
一、互斥鎖
互斥鎖也稱為互斥量，是一種用于保護(hù)共享資源的鎖。它可以通過對(duì)于需要訪問共享資源的線程進(jìn)行加鎖和解鎖的操作來(lái)保證共享資源的互斥性。在Linux系統(tǒng)下，可以使用pthread_mutex_t來(lái)定義互斥鎖。下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的互斥鎖的使用示例：
“`c
#include
#include
pthread_mutex_t mutex;
int shared_data = 0;
void *worker(void *arg) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
shared_data += 1;
printf(“Update shared data to %d\n”, shared_data);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return NULL;
}
int mn(int argc, char *argv[]) {
pthread_t t1, t2;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
pthread_create(&t1, NULL, worker, NULL);
pthread_create(&t2, NULL, worker, NULL);
pthread_join(t1, NULL);
pthread_join(t2, NULL);
pthread_mutex_destroy(&mutex);
return 0;
}
“`
在上面的示例中，定義了一個(gè)全局變量shared_data和一個(gè)互斥鎖mutex。在worker函數(shù)中，首先調(diào)用`pthread_mutex_lock`來(lái)申請(qǐng)互斥鎖，然后對(duì)共享資源shared_data進(jìn)行更新，最后調(diào)用`pthread_mutex_unlock`來(lái)釋放互斥鎖。在mn函數(shù)中，創(chuàng)建了兩個(gè)線程分別執(zhí)行worker函數(shù)，并且在最后調(diào)用了`pthread_mutex_destroy`來(lái)銷毀互斥鎖。
二、條件變量
條件變量是一種能夠支持在共享資源滿足某種特定條件時(shí)，讓線程在等待狀態(tài)下暫停自己運(yùn)行的機(jī)制。在Linux系統(tǒng)下，可以使用`pthread_cond_t`來(lái)定義條件變量，以及相關(guān)的`pthread_cond_wt`和`pthread_cond_signal`等函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)條件變量的使用。下面是一個(gè)簡(jiǎn)單示例：
“`c
#include
#include
#include
pthread_cond_t cond;
pthread_mutex_t mutex;
int shared_data = 0;
void *worker_producer(void *arg) {
while (1) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
shared_data += 1;
printf(“Produce %d\n”, shared_data);
pthread_cond_signal(&cond);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
sleep(1);
}
return NULL;
}
void *worker_consumer(void *arg) {
while (1) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
while (shared_data == 0) {
pthread_cond_wt(&cond, &mutex);
}
shared_data -= 1;
printf(“Consume %d\n”, shared_data);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
sleep(1);
}
return NULL;
}
int mn(int argc, char *argv[]) {
pthread_t t_producer, t_consumer;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
pthread_cond_init(&cond, NULL);
pthread_create(&t_producer, NULL, worker_producer, NULL);
pthread_create(&t_consumer, NULL, worker_consumer, NULL);
pthread_join(t_producer, NULL);
pthread_join(t_consumer, NULL);
pthread_cond_destroy(&cond);
pthread_mutex_destroy(&mutex);
return 0;
}
“`
在上面的示例中，定義了一個(gè)全局變量shared_data和一個(gè)互斥鎖mutex，并且定義了一個(gè)條件變量cond。在worker_producer函數(shù)中，不斷地對(duì)共享資源shared_data進(jìn)行更新，并且通過`pthread_cond_signal`來(lái)通知worker_consumer線程去執(zhí)行，并且最后調(diào)用`pthread_mutex_unlock`來(lái)釋放互斥鎖。在worker_consumer函數(shù)中，首先調(diào)用`pthread_mutex_lock`來(lái)申請(qǐng)互斥鎖，然后通過while循環(huán)來(lái)判斷共享資源是否滿足條件，如果滿足條件，則執(zhí)行相關(guān)的操作，如果不滿足條件，則調(diào)用`pthread_cond_wt`來(lái)暫停自己的運(yùn)行，并且等待worker_producer線程來(lái)喚醒它。在mn函數(shù)中創(chuàng)建了兩個(gè)線程分別執(zhí)行worker_producer函數(shù)和worker_consumer函數(shù)，并且在結(jié)束時(shí)進(jìn)行一些資源的銷毀和清理工作。
相關(guān)問題拓展閱讀：
- Linux信號(hào)量
Linux信號(hào)量
信號(hào)量是包含一個(gè)非負(fù)整數(shù)型的變量，并且?guī)в袃蓚€(gè)原子操作wait和signal。Wait還可以被稱為down、P或lock，signal還可以被稱為up、V、unlock或post。在UNIX的API中（POSIX標(biāo)準(zhǔn)）用的是wait和post。
對(duì)于wait操作，如果信號(hào)量的非負(fù)整形變量S大于0，wait就將其減1，如果S等于0，wait就將調(diào)用線程阻塞；對(duì)于post操作，如果有線程在信號(hào)量上阻塞（此時(shí)S等于0），post就會(huì)解除對(duì)某個(gè)等待線程的阻塞，使其從wait中返回，如果沒有線程阻塞在信號(hào)量上，post就將S加1.
由此可見，S可以被理解為一種資源的數(shù)量，信號(hào)量即是通過控制這種資源的分配來(lái)實(shí)現(xiàn)互斥和同步的。如果把S設(shè)為1，那么信號(hào)量即可使多線程并發(fā)運(yùn)行。另外，信號(hào)量不僅允許使用者申請(qǐng)和釋放資源，而且還允許使用者創(chuàng)豎嘩造資源，這就賦予了信號(hào)量實(shí)現(xiàn)同步的功能?？梢娦盘?hào)量的功能要比互斥量豐富許多。
POSIX信號(hào)量是一個(gè)sem_t類型的變量，但POSIX有兩種信號(hào)量的實(shí)現(xiàn)機(jī)制：
無(wú)名信號(hào)量
和
命名信號(hào)量
。無(wú)名信號(hào)量只可以在共享內(nèi)存的情況下，比如實(shí)現(xiàn)進(jìn)程中各個(gè)線程之間的互斥和同步，因此無(wú)名信號(hào)量也被稱作基于內(nèi)存的信號(hào)量；命名信號(hào)量通常用于不共享內(nèi)存的情況下，比如進(jìn)程間通信。
同時(shí)，在創(chuàng)建信號(hào)量時(shí)，根據(jù)信號(hào)量取值的不同，POSIX信號(hào)量還可以分為：
下面是POSIX信號(hào)量函數(shù)接口：
信號(hào)量的函數(shù)都以sem_開頭，線程中使用的基本信號(hào)函數(shù)有4個(gè)，他們都聲明在頭文件semaphore.h中，該頭文件定義了用于信號(hào)量操作的sem_t類型：
【sem_init函數(shù)】：
該函數(shù)用于創(chuàng)猜型建信號(hào)量，原型如下：
該函數(shù)初始化由sem指向的余兆行信號(hào)對(duì)象，設(shè)置它的共享選項(xiàng)，并給它一個(gè)初始的整數(shù)值。pshared控制信號(hào)量的類型，如果其值為0，就表示信號(hào)量是當(dāng)前進(jìn)程的局部信號(hào)量，否則信號(hào)量就可以在多個(gè)進(jìn)程間共享，value為sem的初始值。
該函數(shù)調(diào)用成功返回0，失敗返回-1。
【sem_destroy函數(shù)】：
該函數(shù)用于對(duì)用完的信號(hào)量進(jìn)行清理，其原型如下：
成功返回0，失敗返回-1。
【sem_wait函數(shù)】：
該函數(shù)用于以原子操作的方式將信號(hào)量的值減1。原子操作就是，如果兩個(gè)線程企圖同時(shí)給一個(gè)信號(hào)量加1或減1，它們之間不會(huì)互相干擾。其原型如下：
sem指向的對(duì)象是sem_init調(diào)用初始化的信號(hào)量。調(diào)用成功返回0，失敗返回-1。
sem_trywait()則是sem_wait()的非阻塞版本，當(dāng)條件不滿足時(shí)（信號(hào)量為0時(shí)），該函數(shù)直接返回EAGAIN錯(cuò)誤而不會(huì)阻塞等待。
sem_timedwait()功能與sem_wait()類似，只是在指定的abs_timeout時(shí)間內(nèi)等待，超過時(shí)間則直接返回ETIMEDOUT錯(cuò)誤。
【sem_post函數(shù)】：
該函數(shù)用于以原子操作的方式將信號(hào)量的值加1，其原型如下：
與sem_wait一樣，sem指向的對(duì)象是由sem_init調(diào)用初始化的信號(hào)量。調(diào)用成功時(shí)返回0，失敗返回-1。
【sem_getvalue函數(shù)】：
該函數(shù)返回當(dāng)前信號(hào)量的值，通過restrict輸出參數(shù)返回。如果當(dāng)前信號(hào)量已經(jīng)上鎖（即同步對(duì)象不可用），那么返回值為0，或?yàn)樨?fù)數(shù)，其絕對(duì)值就是等待該信號(hào)量解鎖的線程數(shù)。
【實(shí)例1】：
【實(shí)例2】：
之所以稱為命名信號(hào)量，是因?yàn)樗幸粋€(gè)名字、一個(gè)用戶ID、一個(gè)組ID和權(quán)限。這些是提供給不共享內(nèi)存的那些進(jìn)程使用命名信號(hào)量的接口。命名信號(hào)量的名字是一個(gè)遵守路徑名構(gòu)造規(guī)則的字符串。
【sem_open函數(shù)】：
該函數(shù)用于創(chuàng)建或打開一個(gè)命名信號(hào)量，其原型如下：
參數(shù)name是一個(gè)標(biāo)識(shí)信號(hào)量的字符串。參數(shù)oflag用來(lái)確定是創(chuàng)建信號(hào)量還是連接已有的信號(hào)量。
oflag的參數(shù)可以為0，O_CREAT或O_EXCL：如果為0，表示打開一個(gè)已存在的信號(hào)量；如果為O_CREAT，表示如果信號(hào)量不存在就創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量，如果存在則打開被返回，此時(shí)mode和value都需要指定；如果為O_CREAT|O_EXCL，表示如果信號(hào)量存在則返回錯(cuò)誤。
mode參數(shù)用于創(chuàng)建信號(hào)量時(shí)指定信號(hào)量的權(quán)限位，和open函數(shù)一樣，包括：S_IRUSR、S_IWUSR、S_IRGRP、S_IWGRP、S_IROTH、S_IWOTH。
value表示創(chuàng)建信號(hào)量時(shí)，信號(hào)量的初始值。
【sem_close函數(shù)】：
該函數(shù)用于關(guān)閉命名信號(hào)量：
單個(gè)程序可以用sem_close函數(shù)關(guān)閉命名信號(hào)量，但是這樣做并不能將信號(hào)量從系統(tǒng)中刪除，因?yàn)槊盘?hào)量在單個(gè)程序執(zhí)行之外是具有持久性的。當(dāng)進(jìn)程調(diào)用_exit、exit、exec或從main返回時(shí)，進(jìn)程打開的命名信號(hào)量同樣會(huì)被關(guān)閉。
【sem_unlink函數(shù)】：
sem_unlink函數(shù)用于在所有進(jìn)程關(guān)閉了命名信號(hào)量之后，將信號(hào)量從系統(tǒng)中刪除：
【信號(hào)量操作函數(shù)】：
與無(wú)名信號(hào)量一樣，操作信號(hào)量的函數(shù)如下:
命名信號(hào)量是隨內(nèi)核持續(xù)的。當(dāng)命名信號(hào)量創(chuàng)建后，即使當(dāng)前沒有進(jìn)程打開某個(gè)信號(hào)量，它的值依然保持，直到內(nèi)核重新自舉或調(diào)用sem_unlink()刪除該信號(hào)量。
無(wú)名信號(hào)量的持續(xù)性要根據(jù)信號(hào)量在內(nèi)存中的位置確定：
很多時(shí)候信號(hào)量、互斥量和條件變量都可以在某種應(yīng)用中使用，那這三者的差異有哪些呢？下面列出了這三者之間的差異：
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當(dāng)前名稱：Linux下實(shí)現(xiàn)線程同步互斥的方法(linux線程同步互斥)
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