linux下的同步与互斥
发布时间：2014-09-05 14:58:30作者：知识屋
linux下的同步与互斥
谈到linux的并发，必然涉及到线程之间的同步和互斥，linux主要为我们提供了几种实现线程间同步互斥的
机制，本文主要介绍互斥锁，条件变量和信号量。互斥锁和条件变量包含在pthread线程库中，使用时需要包含
<pthread.h>头文件。而使用信号量时需要包含<semaphore.h>头文件。
1.互斥锁
类型声明：pthread_mutex_t mutex;
对互斥量的初始化：
程序在使用pthread_mutex_t之前需要先对其进行初始化，对于静态分配的pthread_mutex_t变量来说，
只要将PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER赋给变量就行了，语句如下：
static pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_mutex_INITIALIZER;
而对于动态分配或没有默认互斥属性的互斥变量来说，要调用pthread_mutex_init函数来执行初始化工
作。函数声明如下：
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t* mutex,const pthread_mutexattr_t* attr);
mutex是指向一个互斥量的指针，attr是指向一个属性结构体的指针，为NULL时使用默认属性。
需要注意的是pthread_mutex_init函数只能恰好执行一次，重复执行的结果是未定义的。
对互斥量的操作：
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t* mutex);//对互斥量执行锁定操作
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t* mutex);//对互斥量执行解锁操作
对互斥量的销毁：
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t* mutex);//
使用方法：
以下代码用互斥量来保护一个临界区：
pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;//初始化
pthread_mutex_lock(&mutex);//获得锁
/*critical section code*/
pthread_mutex_unlock(&mutex);//释放锁
通常比较适用的方法是将编写一组访问临界区的函数，将锁定调用都放在这些函数中，这是确保对对象的拍他
性访问的一种方法，这样锁定机制对调用线程就是透明的了。
2.条件变量
有时，我们可能需要让线程在某个条件满足之前一直等待，在未使用条件变量之前，您可能会使用忙等待，如
下列代码：
while(x!=y);
这样的方式，然而这种占着茅坑不拉屎的行为是非常不被提倡的。因此，我们引入条件变量的概念来是线程在
某个条件不满足是进入挂起状态。
类型声明：pthread_cond_t cond;
对条件变量的初始化：
程序在使用pthread_cond_t变量之前必须对其进行初始化。对于静态分配的pthread_cond_t变量来说，
只要将PTHREAD_COND_INITIALIZER赋给变量就星了，语句如下：
pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER;
对于动态分配的或没有默认属性的变量来说，就要调用pthread_cond_init函数来执行初始化。函数声明如下：
int pthread_cond_init(pthread_cond_t* cond,const pthread_cond_attr_t* attr);
cond是指向一个条件变量的指针，attr是指向一个属性结构体的指针，为NULL时使用默认属性。
对条件变量的操作：
int pthread_cond_wait(pthread_cond_* cond,pthread_mutex_t* mutex);//使线程阻塞于某个条件。
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t* cond);//唤醒某个阻塞在cond上的线程。
对条件变量的销毁：
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t* cond);
使用方法：
条件变量是与断言或条件的测试一同调用的，以此来实现将条件变量关联到某个断言上去。通常线程会对
一个条件进行测试，如果失败，就会调用pthread_cond_wait函数将线程阻塞。示例代码如下：
pthread_mutex_lock(&mutex);
while( a<b )
pthread_cond_wait(&cond,&mutex);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
调用线程应该在它测试或调用pthread_cond_wait之前获得一个互斥量，以避免在测试条件的时候有其他
线程改写条件中变量的值。pthread_cond_wait函数中第二个参数是一个互斥量类型的指针，线程在调用
pthread_cond_wait后会隐式的原子地释放mutex互斥量并阻塞，允许其他线程获得互斥量并修改断言中
的变量。当线程成功的从pthread_cond_wait中返回时，它就再次拥有了互斥量，并且不用显式的重新获
得互斥量。
当其他线程修改了断言中变量的值后可以调用pthread_cond_signal函数来唤醒一个等待在某个断言成真
的线程。也可以使用pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t*)函数来唤醒所有等待在某个条件变量
上的线程。在修改断言中出现的任一变量之前要获得互斥量。示例代码如下：
pthread_mutex_lock(&mutex);
a++;
pthread_cond_signal(&cond);//pthread_cond_broadcast(&cond);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
3.信号量
信号量是一个整型变量，它带有两个原子操作wait和signal。wait操作还可以被称为down、P操作。signal操
作还可以被称为up、V、post操作。
如果S大于0，wait操作就在一个原子操作中对其进行减量运算。如果S等于0，wait操作就就在一个原子操作中
测试S，阻塞调用程序，将调用程序放入wait的等待队列中。
如果有线程在信号量上阻塞，则S必然等于0，signal操作就会解除对某一个等待线程的阻塞。如果S大于0，即
没有线程阻塞在信号量上，signal就对S进行增量操作。
可以把信号量理解为临界区中资源的可用数量，wait表示对资源的申请，当没有可用资源时信号量为0，signal
表示线程使用资源后，对资源的释放。
下面介绍几种通过信号量来控制线程按某种顺序执行的方法：
1.线程1中a先于线程2中b执行[S初始话为0]
Process 1:
a;
signal(&S);
Process 2:
wait(&S);
b;
2.线程1中a于线程2中b语句交替执行[S,Q初始化为1]
Process 1:
while(1){
wait(&S);
a;
signal(&Q);
}
Process 2:
while(1){
wait(&Q);
b;
signal(&S);
}
可通过让S为0Q为1，或让S为1Q为0，来保证让a或b先执行。
需要注意的是，为了避免申请多个资源发生死锁，应按照相同的顺序申请资源，这里公司面试的时候经常会被
问到。
linux中信号量有无名信号量和命名信号量之分，无名信号量可用于线程之间的同步和互斥，命名信号量可用
于进程间的通信，命名信号量与命名管道相似，以文件的形式存储于磁盘上。
无名信号量：
类型声明：
sem_t sem;
初始化：
int sem_init(sem_t* sem,int pshared,int value);
参数pshared为0，表示信号量只能由初始化这个信号量的进程中的线程使用。
value表示要将sem初始化的值。value不能为负。
操作：
int sem_post(sem_t* sem);//signal操作
int sem_wait(sem_t* sem);//wait操作
销毁：
int sem_destroy(sem_t* sem);
使用方法：
通常先由主线程调用sem_init对信号量进行初始化。然后在其他线程中调用post或wait函数。示例代码
如下：
static sem_t sem;
sem_init(&sem,0,1);
sem_wait(&sem);
/*critical section*/
sem_post(&sem);
命名信号量：
类型声明：
sem_t sem;
初始化：
sem_t* sem_open(const char* name,int oflag,...);
参数oflag用来确定是创建信号量，还是仅仅由函数对其访问。若oflag中的O_CREAT比特位被设置，则需
要另外两个参数，mode_t mode为文件权限,unsigned value为信号量值。
关闭：
int sem_close(sem_t* sem);
删除：
int sem_unlink(sem_t* sem);
操作方式与无名信号量相同。
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