Linux 多线程条件变量同步

条件变量是线程同步的另一种方式，实际上，条件变量是信号量的底层实现，这也就意味着，使用条件变量可以拥有更大的自由度，同时也就需要更加小心的进行同步操作。条件变量使用的条件本身是需要使用互斥量进行保护的，线程在改变条件状态之前必须首先锁住互斥量，其他线程在获得互斥量之前不会察觉到这种改变，因为互斥量必须在锁定之后才能计算条件。

模型

#include<pthread.h>
pthread_cond_t cond //准备条件变量
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER; //初始化静态的条件变量
pthread_cond_init() //初始化一个动态的条件变量
pthread_cond_wait() //等待条件变量变为真
pthread_cond_timedwait() //等待条件变量变为真，等待有时间限制。
pthread_cond_signal() //至少唤醒一个等待该条件的线程
pthread_cond_broadcast() //唤醒等待该条件的所有线程
pthread_cond_destroy() //销毁一个条件变量


pthread_cond_init()

//初始化一个动态的条件变量
//成功返回0，失败返回error number
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);


cond:条件变量指针，这里使用了restrict关键字

attr:条件变量属性指针，默认属性赋NULL

pthread_cond_wait() / pthread_cond_timedwait()

//等待条件变量为真。收到pthread_cond_broadcast()或pthread_cond_signal()就唤醒
//成功返回0，失败返回error number
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 abstime);


条件变量的使在多线程的程序中，因为各个线程都可以访问大部分的进程资源，所以我们为了保证公有资源的使用是可以控制的，在一个线程开始使用公有资源之前要尝试获取互斥锁，在使用完毕之后要释放互斥锁，这样就能保证每个公共资源在一个时刻都只能被一个线程使用，在一定程度上得到了控制，但这并不能解决同步的问题，考虑如下两个线程：

Q=create_queue();
pthread_t mutex
//线程A，入队
while(1){
lock(mutex);
in_queue(Q);
unlock(mutex);
}//线程B，出队
while(1){
lock(mutex);
out_queue(Q);
unlock(mutex);
}


上述代码可以实现两个线程的互斥，即同一时刻只有一个线程在使用公有资源-队列。但如果线程B获取了锁，但队列中是空的，它的out_queue()也就是没有意义的，所以我们这里更需要一种方法将两个线程进行同步：只有当队列中有数据的时候才进行出队。

我们设计这样一种逻辑：

//线程B，出队
while(1){
lock(mutex);
if(队列是空，线程不应该执行)｛
释放锁；
continue;
｝
out_queue(Q);
unlock(mutex);
}


这个程序就解决了上述的问题，即便线程B抢到了互斥锁，但是如果队列是空的，他就释放锁让两个线程重新抢锁，希望这次线程A能抢到并往里放一个数据。

但这个逻辑还有一个问题，就是多线程并发的问题，很有可能发生的一种情况是：线程B抢到了锁，发现没有数据，释放锁->线程A立即抢到了锁并往里放了一个数据->线程B执行continue，显然，这种情况下是不应该continue的，因为线程B想要的条件在释放锁之后立即就被满足了，它错过了条件。

So，我们想一种反过来的逻辑：

//线程B，出队
while(1){
lock(mutex);
if(队列是空，线程不应该执行)｛
continue;
释放锁；
｝
out_queue(Q);
unlock(mutex);
}


显然这种方法有个致命的问题：一旦continue了，线程B自己获得锁就没有被释放，这样线程A不可能抢到锁，而B继续加锁就会形成死锁！

Finaly，我们希望看到一个函数fcn，如果条件不满足，能同时释放锁+停止执行线程，如果条件满足，自己当时获得的锁还在

//线程B，出队
while(1){
lock(mutex);
fcn(当前线程不应该执行,mutex) //if(当前线程不应该执行)｛释放锁“同时” continue；｝
out_queue(Q);
unlock(mutex);
}


OK,这个就是pthread_cond_wait()的原理了，只不过它把continue变成了"休眠"这种由OS负责的操作，可以大大的节约资源。

当然，线程执行的条件是很难当作参数传入一个函数的，POSIX多线程的模型使用系统提供的"条件变量"+"我们自己定义的具体条件" 来确定一个线程是否应该执行接下来的内容。"条件变量"只有真和假，所以一种典型的多线程同步的结构如下

//线程B，出队
while(1){
lock(mutex);
while(条件不满足)
pthread_cond_wait(cond,mutex)
//获得互斥锁可以同时保护while里的条件和cond的判断，二者总是用一把锁保护，并一同释放
//cond为假，就休眠同时释放锁，等待被cond为真唤醒，把自己获得的锁拿回来
//拿回自己的锁再检查线程执行条件，条件不满足继续循环，直到条件满足跳出循环
//这个函数是带着"线程的执行条件为真"+"cond为真"走出循环的
//这个函数返回后cond被重新设置为0
out_queue(Q);
unlock(mutex);
}


pthread_cond_braoadcast()/pthread_cond_signal()

//使条件变量为真并唤醒wait中的线程，前者唤醒所有wait的，后者唤醒一个
//成功返回0，失败返回error number
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);


pthread_cond_destroy()

//销毁条件变量
//成功返回0，失败返回error number
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);


例子-线程池

\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\
//thread.h
#ifndef __THREAD_H__
#define __THREAD_H__
#define THREAD_NUM 3
#define TASK_NUM 100typedef struct{//每个节点的封装格式，fcn是用户自定义函数，arg是用户自定义函数参数指针，保证通用性声明为void
void* (*fcn)(void* arg);
void* arg;
}task_t;
typedef struct{ //用户自定义函数的参数结构体
int x;
}argfcn_t;//#define LQ_DATA_T task_t*
#define LQ_DATA_T task_t#endif//__THREAD_H__
\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\
//lqueue.c
#include"thread.h"
#include"lqueue.h"
#include<stdlib.h>
...
\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\
//thread_pool.c
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<pthread.h>
#include"thread.h"
#include"lqueue.h"//互斥量和条件变量
pthread_mutex_t lock;
pthread_cond_t cond;//全局的表
lqueue_t* Q;//每个线程的任务,必须是这个形式的函数指针
void* do_task(void* p){
task_t data;
int ret=0;
while(1){
pthread_mutex_lock(&lock);
while(is_empty_lqueue(Q)){//大家收到广播，因为延迟，可能醒了好几个，要判断一下是不是自己
pthread_cond_wait(&cond,&lock);//先抢到锁再醒
}
ret=out_lqueue(Q,&data);
pthread_mutex_unlock(&lock);
data.fcn(data.arg);
}
}//创建线程池
void create_pool(void){
//初始化队列
Q=create_lqueue();
//初始化互斥量
pthread_mutex_init(&lock,NULL);
//初始化条件变量
pthread_cond_init(&cond,NULL);
int i=THREAD_NUM;
pthread_t tid[THREAD_NUM];
while(i--)
pthread_create(&tid[i],NULL,do_task,NULL);
}//准备函数
void* fcn(void* parg){ //用户自定义的需要线程执行的函数
argfcn_t* i=(argfcn_t*)parg;
printf("this is task1\n");
printf("task1:%d\n",i->x);
}//添加任务
void pool_add_task(void*(*pfcn)(void*parg),void*arg){
task_t task;
task.fcn=pfcn;
task.arg=arg;in_lqueue(Q,task);
pthread_cond_signal(&cond);//添加了一个任务，用signal更好
}int main(int argc, const char *argv[])
{
//创建线程池
create_pool();//准备参数
argfcn_t argfcn;
argfcn.x=5;//添加任务
pool_add_task(fcn,(void*)&argfcn);
pool_add_task(fcn,(void*)&argfcn);
pool_add_task(fcn,(void*)&argfcn);
pause();
return 0;
}