Linux中實(shí)現(xiàn)線程同步的6種方法

更新時(shí)間：2024年11月08日 09:34:37 作者：morris131

本文詳細(xì)介紹了Linux下線程同步的多種方法,包括互斥鎖、自旋鎖、信號(hào)量以及它們的使用示例,通過(guò)這些同步機(jī)制,可以解決線程安全問(wèn)題,防止資源競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致的錯(cuò)誤,示例代碼展示了如何在多線程環(huán)境中正確地管理共享資源,確保線程安全,需要的朋友可以參考下

linux線程同步的方法

下面是一個(gè)線程不安全的例子：

#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;
}

運(yùn)行結(jié)果如下：

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

最后運(yùn)行的結(jié)果不是固定的，有可能是0、-1，如果有這個(gè)ticket_num變量代表是庫(kù)存的話，那么就會(huì)出現(xiàn)庫(kù)存為負(fù)數(shù)的情況，所以需要引入線程同步來(lái)保證線程安全。

Linux下提供了多種方式來(lái)處理線程同步，最常用的是互斥鎖、自旋鎖、信號(hào)量。

互斥鎖

互斥鎖本質(zhì)就是一個(gè)特殊的全局變量，擁有l(wèi)ock和unlock兩種狀態(tài)，unlock的互斥鎖可以由某個(gè)線程獲得，當(dāng)互斥鎖由某個(gè)線程持有后，這個(gè)互斥鎖會(huì)鎖上變成lock狀態(tài)，此后只有該線程有權(quán)力打開該鎖，其他想要獲得該互斥鎖的線程都會(huì)阻塞，直到互斥鎖被解鎖。

互斥鎖的類型：

普通鎖（PTHREAD_MUTEX_NORMAL）：互斥鎖默認(rèn)類型。當(dāng)一個(gè)線程對(duì)一個(gè)普通鎖加鎖以后，其余請(qǐng)求該鎖的線程將形成一個(gè) 等待隊(duì)列，并在該鎖解鎖后按照優(yōu)先級(jí)獲得它，這種鎖類型保證了資源分配的公平性。一個(gè) 線程如果對(duì)一個(gè)已經(jīng)加鎖的普通鎖再次加鎖，將引發(fā)死鎖；對(duì)一個(gè)已經(jīng)被其他線程加鎖的普通鎖解鎖，或者對(duì)一個(gè)已經(jīng)解鎖的普通鎖再次解鎖，將導(dǎo)致不可預(yù)期的后果。
檢錯(cuò)鎖（PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK）：一個(gè)線程如果對(duì)一個(gè)已經(jīng)加鎖的檢錯(cuò)鎖再次加鎖，則加鎖操作返回EDEADLK；對(duì)一個(gè)已經(jīng)被其他線程加鎖的檢錯(cuò)鎖解鎖或者對(duì)一個(gè)已經(jīng)解鎖的檢錯(cuò)鎖再次解鎖，則解鎖操作返回 EPERM。
嵌套鎖（PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE）：該鎖允許一個(gè)線程在釋放鎖之前多次對(duì)它加鎖而不發(fā)生死鎖；其他線程要獲得這個(gè)鎖，則當(dāng)前鎖的擁有者必須執(zhí)行多次解鎖操作；對(duì)一個(gè)已經(jīng)被其他線程加鎖的嵌套鎖解鎖，或者對(duì)一個(gè)已經(jīng)解鎖的嵌套鎖再次解鎖，則解鎖操作返回EPERM。
默認(rèn)鎖（PTHREAD_MUTEX_ DEFAULT）：一個(gè)線程如果對(duì)一個(gè)已經(jīng)加鎖的默認(rèn)鎖再次加鎖，或者雖一個(gè)已經(jīng)被其他線程加鎖的默認(rèn)鎖解鎖，或者對(duì)一個(gè)解鎖的默認(rèn)鎖解鎖，將導(dǎo)致不可預(yù)期的后果；這種鎖實(shí)現(xiàn)的時(shí)候可能被映射成上述三種鎖之一。

相關(guān)方法：

// 靜態(tài)方式創(chuàng)建互斥鎖
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER? 

// 動(dòng)態(tài)方式創(chuàng)建互斥鎖，其中參數(shù)mutexattr用于指定互斥鎖的類型，具體類型見(jiàn)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(gè)死循環(huán)，不停的輪詢，當(dāng)一個(gè)線程未獲得自旋鎖時(shí)，不會(huì)像互斥鎖一樣進(jìn)入阻塞休眠狀態(tài)，而是不停的輪詢獲取鎖，如果自旋鎖能夠很快被釋放，那么性能就會(huì)很高，如果自旋鎖長(zhǎng)時(shí)間不能夠被釋放，甚至里面還有大量的IO阻塞，就會(huì)導(dǎo)致其他獲取鎖的線程一直空輪詢，導(dǎo)致CPU使用率達(dá)到100%，特別CPU時(shí)間。

相關(guān)方法：

int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t *lock, int pshared)? // 創(chuàng)建自旋鎖

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;
}

信號(hào)量

信號(hào)量是一個(gè)計(jì)數(shù)器，用于控制訪問(wèn)有限共享資源的線程數(shù)。

相關(guān)方法：

// 創(chuàng)建信號(hào)量
// pshared：一般取0，表示調(diào)用進(jìn)程的信號(hào)量。非0表示該信號(hào)量可以共享內(nèi)存的方式，為多個(gè)進(jìn)程所共享(Linux暫不支持)。
// value：信號(hào)量的初始值，可以并發(fā)訪問(wèn)的線程數(shù)。
int sem_init (sem_t* sem, int pshared, unsigned int value);

int sem_wait (sem_t* sem); // 信號(hào)量減1，信號(hào)量為0時(shí)就會(huì)阻塞

int sem_trywait (sem_t* sem); // 信號(hào)量減1，信號(hào)量為0時(shí)返回-1，不阻塞

int sem_timedwait (sem_t* sem, const struct timespec* abs_timeout); // 信號(hào)量減1，信號(hào)量為0時(shí)阻塞，直到abs_timeout超時(shí)返回-1

int sem_post (sem_t* sem); // 信號(hào)量加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(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)共享資源，與互斥量等價(jià)
    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;
}

條件變量

條件變量可以讓調(diào)用線程在滿足特定條件的情況下運(yùn)行，不滿足條件時(shí)阻塞等待被喚醒，必須與互斥鎖搭配使用。

條件變量常用于生產(chǎn)者與消費(fèi)者模型。

相關(guān)方法：

pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER; // 創(chuàng)建條件變量，一個(gè)互斥鎖可以對(duì)應(yīng)多個(gè)條件變量

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

// 從條件變量cond中喚出一個(gè)線程，令其重新獲得原先的互斥鎖
// 被喚出的線程此刻將從pthread_cond_wait函數(shù)中返回，但如果該線程無(wú)法獲得原先的鎖，則會(huì)繼續(xù)阻塞在加鎖上。
int pthread_cond_signal (pthread_cond_t* cond);

// 從條件變量cond中喚出所有線程
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(tài)：讀模式下加鎖狀態(tài)，寫模式下加鎖狀態(tài)，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。讀寫鎖也叫做共享-獨(dú)占鎖，當(dāng)讀寫鎖以讀模式鎖住時(shí)，它是以共享模式鎖住的，當(dāng)它以寫模式鎖住時(shí)，它是以獨(dú)占模式鎖住的，讀讀共享，讀寫互斥。

相關(guān)方法：

// 創(chuàng)建讀寫鎖
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)是用戶協(xié)調(diào)多個(gè)線程并行工作的同步機(jī)制。屏障允許每個(gè)線程等待，直到所有的合作線程都到達(dá)某一點(diǎn)，然后所有線程都從該點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行。pthread_join函數(shù)就是一種屏障，允許一個(gè)線程等待，直到另一個(gè)線程退出。但屏障對(duì)象的概念更廣，允許任意數(shù)量的線程等待，直到所有的線程完成處理工作，而線程不需要退出，當(dāng)所有的線程達(dá)到屏障后可以接著工作。

相關(guān)方法：

// 創(chuàng)建屏障
int pthread_barrier_init(pthread_barrier_t *barrier,const pthread_barrrierattr_t *attr,unsigned int count)

// 阻塞等待，直到所有線程都到達(dá)
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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