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linux實現執行緒同步有幾種方式

2022-07-02 06:00:28

6種方式：1、互斥鎖，本質就是一個特殊的全域性變數，擁有lock和unlock兩種狀態；2、自旋鎖，是一個死迴圈，不停的輪詢；3、號誌，用於控制存取有限共用資源的執行緒數；4、條件變數，可以讓呼叫執行緒在滿足特定條件的情況下執行，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模式的讀寫鎖；6、屏障，是使用者協調多個執行緒並行工作的同步機制。

本教學操作環境：linux7.3系統、Dell G3電腦。

linux中實現執行緒同步的6種方法

下面是一個執行緒不安全的例子：

#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;
}

執行結果如下：

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

最後執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，所以需要引入執行緒同步來保證執行緒安全。

Linux下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、號誌。

互斥鎖

互斥鎖本質就是一個特殊的全域性變數，擁有lock和unlock兩種狀態，unlock的互斥鎖可以由某個執行緒獲得，當互斥鎖由某個執行緒持有後，這個互斥鎖會鎖上變成lock狀態，此後只有該執行緒有權力開啟該鎖，其他想要獲得該互斥鎖的執行緒都會阻塞，直到互斥鎖被解鎖。

互斥鎖的型別：

  • 普通鎖（PTHREAD_MUTEX_NORMAL）：互斥鎖預設型別。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 等待佇列，並在該鎖解鎖後按照優先順序獲得它，這種鎖型別保證了資源分配的公平性。一個 執行緒如果對一個已經加鎖的普通鎖再次加鎖，將引發死鎖；對一個已經被其他執行緒加鎖的普 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，則加鎖操作返回EDEADLK；對一個已 經被其他執行緒加鎖的檢錯鎖解鎖或者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（PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE）：該鎖允許一個執行緒在釋放鎖之前多次對它加鎖而不發生死鎖；其他執行緒要獲得這個鎖，則當前鎖的擁有者必須執行多次解鎖操作；對一個已經被其他執行緒加鎖的巢狀鎖解鎖，或者對一個已經解鎖的巢狀鎖再次解鎖，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默 認鎖解鎖，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 被對映成上述三種鎖之一。

相關方法：

// 靜態方式建立互斥鎖
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; 

// 動態方式建立互斥鎖，其中引數mutexattr用於指定互斥鎖的型別，具體型別見上面四種，如果為NULL，就是普通鎖。
int pthread_mutex_init (pthread_mutex_t* mutex,const pthread_mutexattr_t* mutexattr);

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); // 加鎖，阻塞
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex); // 嘗試加鎖，非阻塞
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex); // 解鎖

例子：

#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

自旋鎖顧名思義就是一個死迴圈，不停的輪詢，當一個執行緒未獲得自旋鎖時，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，那麼效能就會很高，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執行緒一直空輪詢，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); // 建立自旋鎖

int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t *lock); // 加鎖，阻塞
int pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t *lock); // 嘗試加鎖，非阻塞
int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t *lock); // 解鎖

例子：

#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;
}

號誌

號誌是一個計數器，用於控制存取有限共用資源的執行緒數。

相關方法：

// 建立號誌
// pshared：一般取0，表示呼叫程序的號誌。非0表示該號誌可以共用記憶體的方式，為多個程序所共用(Linux暫不支援)。
// value：號誌的初始值，可以並行存取的執行緒數。
int sem_init (sem_t* sem, int pshared, unsigned int value);

int sem_wait (sem_t* sem); // 號誌減1，號誌為0時就會阻塞

int sem_trywait (sem_t* sem); // 號誌減1，號誌為0時返回-1，不阻塞

int sem_timedwait (sem_t* sem, const struct timespec* abs_timeout); // 號誌減1，號誌為0時阻塞，直到abs_timeout超時返回-1

int sem_post (sem_t* sem); // 號誌加1

例子：

#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個執行緒同時存取共用資源，與互斥量等價
    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執行，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; // 建立條件變數，一個互斥鎖可以對應多個條件變數

int pthread_cond_wait (pthread_cond_t* cond,pthread_mutex_t* mutex); // 阻塞等待條件滿足，同時釋放互斥鎖mutex

int pthread_cond_timedwait (pthread_cond_t* cond,
    pthread_mutex_t* mutex,
    const struct timespec* abstime); // 帶超時的阻塞等待條件滿足，同時釋放互斥鎖mutex

// 從條件變數cond中喚出一個執行緒，令其重新獲得原先的互斥鎖
// 被喚出的執行緒此刻將從pthread_cond_wait函數中返回，但如果該執行緒無法獲得原先的鎖，則會繼續阻塞在加鎖上。
int pthread_cond_signal (pthread_cond_t* cond);

// 從條件變數cond中喚出所有執行緒
int pthread_cond_broadcast (pthread_cond_t* cond);

例子：

#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;
}

讀寫鎖

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

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

相關方法：

// 建立讀寫鎖
pthread_rwlock_t rwlock=PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;

int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 加讀鎖，阻塞
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 加寫鎖，阻塞
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 釋放讀鎖或者寫鎖

int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 嘗試加讀鎖，非阻塞
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 嘗試加寫鎖，非阻塞

例子：

#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)是使用者協調多個執行緒並行工作的同步機制。屏障允許每個執行緒等待，直到所有的合作執行緒都到達某一點，然後所有執行緒都從該點繼續執行。pthread_join函數就是一種屏障，允許一個執行緒等待，直到另一個執行緒退出。但屏障物件的概念更廣，允許任意數量的執行緒等待，直到所有的執行緒完成處理工作，而執行緒不需要退出，當所有的執行緒達到屏障後可以接著工作。

相關方法：

// 建立屏障
int pthread_barrier_init(pthread_barrier_t *barrier,const pthread_barrrierattr_t *attr,unsigned int count)

// 阻塞等待，直到所有執行緒都到達
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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