Linux——互斥锁与条件变量(二)
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KiteRunner 发表于4年前
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三、对比上锁与等待

在上述的生产者-消费者问题中,我们在实现同步的时候还可以用以下的方法来实现,这里只是说明与上述实现中的不同之处。

1、首先,说明一下此版本中的相关特征:

在此版本中,消费者线程在生产者线程创建完毕后马上就创建,而不是等待所有生产者线程完成而终止后再创建。

2、再则,如何来实现:

A、Set_concurrency(..)中参量并发线程从nthreads变为nthreads+1;

B、同时,为了实现同步,我们必须设置一个consume_wait(int i)函数,其实现的功能是检测到对应i的pthread_mutex_unlock后,便启动consume对应的i判断部分。这里将这两个函数源代码实现呈现如下:

void consume_wait(int i){
    for(;;){
        pthread_mutex_lock(&shared.mutex);
        if(i < nput){
            pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
            return ;
        }
        pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);
    } 
}
 
void *consume(void *arg){
    int i;
    for(i=0;i<nitems;i++){
        consume_wait(i);
        if(shared.buff[i] != i)
            printf("buff[%d] = %d\n",i,shared.buff[i]);
    }
    return NULL;
}

这里,特别说明一些关于consume_wait(int i)的实现及具体运行方式:

首先,当临界区出于未上锁时,consume_wait便调用pthread_mutex_lock(..)来上锁互斥锁,获得对临界区的所有权,这时,判断i<nput条件是否成立,以判断生产者线程是否产生了第i个条目。如果检测到之后,便可返回以通告consume可以处理第i个条目,同时解锁互斥锁。

然后,若i个条目未产生,这时,函数便一直循环,每次给互斥锁上锁又解锁,这样称为“轮询(polling)”,这对CPU是一种浪费,但着实可以实现同步问题。

四、条件变量(Condition):等待与信号发送

互斥锁用于上锁,条件变量用于等待。这两种不同类型的同步都是需要的。

       条件变量是类型为pthread_cond_t的变量,以下两个函数使用了这些变量:

#include<pthread.h>
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cptr, pthread_mutex_t *mptr);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cptr);
均返回:若成功则为0,若出错则为正的Exxx值

其中第二个函数的名字中的“signal”一词指的不是Unix_SIGxxx信号。

这两个函数所等待或由之得以通知的“条件”,其定义由我们选择:我们在代码中测试这种条件。

每个条件变量总是有一个互斥锁与之关联。我们调用pthread_cond_wait等待某个条件为真时,还会指定其条件变量的地址和所关联的互斥锁的地址。

我们利用条件变量和互斥锁重新设计生产者-消费者同步问题,其改变如下:

全局变量声明:

#include "unpipc.h"
 
#define MAXNITEMS 1000000
#define MAXNTHREADS 100
 
int nitems;
int buff[MAXITEMS];
 
struct {
    pthread_mutex_t mutex;
    int nput;
    int nval;
}put ={PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER};
 
struct {
    pthread_mutex_t mutex;
    pthread_cond_t cond;
    int nready;
}nready={PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER,PTHREAD_COND_INITIALIZER};

把生产者变量和互斥锁收集到一个结构中;

把计数器、条件变量和互斥锁收集到一个结构中nready指的是对消费者已准备好的线程数;

main函数同上锁与等待时的main函数;

Produce和consume函数:

void *produce(void *arg){
    for(;;){
        pthread_mutex__lock(&put.mutex);
        if(put.nput >= nitems){
            pthread_mutex_unlock(&put.mutex);
            return NULL;
        }
        buff[put.nput]=put.nval;
        put.nput++;
        put.nval++;
        pthread_mutex_unlock(&put.mutex);
        pthread_mutex_lock(&nready.mutex);
        if(nready.nready == 0){
            pthread_cond_signal(&nready.cond);
        }
        nready.nready++;
        pthread_mutex_unlock(&nready.mutex);
    }
}
 
void *consume(void *arg){
    int i;
    for(i=0;i<nitems;i++){
        pthread_mutex_lock(&nready.mutex);
        while(nready.nready == 0)
            pthread_cond_wait(&nready.cond,&nready.mutex);
        nready.nready--;
        pthread_mutex_unlock(&nready.mutex);
        if(buff[i]!=i){
        printf("buff[%d]=%d\n",i,buff[i]);
        }
    }
    return NULL;
}

这里的分析很重要:

Produce函数中的for语句部分前半部分实现的是:当生产者往数组buff中放置一个新条目时,我们改用put.mutex来为临界区上锁。

For语句后半部分实现的是通知消费者,给用来统计由消费者处理的条目数的计数器nready.nready1。在加1之前,如果该计数器的值为0,就调用pthread_cond_signal唤醒可能正等待其值变为非零的任意线程(如消费者)。现在可以看出与该计数器关联的互斥锁和条件变量的相互作用。该计数器在生产者和消费者之间共享,因此,只有锁住与之关联的互斥锁(nready.mutex)时才能访问它。与之关联的条件变量则用于等待和发送信号。

对于消费者,消费者只是等待计数器nready.nready变为非零。既然该计数器是在所有的生产者和消费者之间共享的,那么只有锁住与之关联的互斥锁(nready.mutex)时才能测试它的值。如果在锁住该互斥锁期间该计数器的值为0,我们就调用pthread_cond_wait进入睡眠。该函数原子地执行以下两个动作:

A、给互斥锁nready.mutex解锁;

B、把调用线程投入睡眠,直到另外某个线程就本条件变量调用pthread_cond_signal。同时,pthread_cond_wait在返回前重新给互斥锁nready.mutex上锁。

五、条件变量:定时等待和广播

通常pthread_cond_signal只唤醒等待在相应条件变量上的一个线程。在某些情况下,一个线程认定有多个其他线程应被唤醒,这时它可以调用pthread_cond_broadcast唤醒阻塞在相应条件变量上的所有线程。

#include<pthread.h>
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cptr);
int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t *cptr,pthread_mutex_t *mptr,const struct timespc *abstime);

对于pthread_cond_timewait(...),其允许线程就阻塞时间设置一个限制值。Abstime参数是一个timespec结构体,该结构体指定这个函数必须返回的时间,即便当时相应的条件变量还没收到信号,如果发生这种超时情况,该函数返回ETIMEDOUT错误。该时间值是绝对时间。而不是时间差。

六、互斥锁和条件变量的属性

在前面的互斥锁和条件变量的讲解中,我们用两个常量PTHREAD_MUTEX_INITIALIZERPTHREAD_COND_INITIALIZER来初始化它们。有这种方式初始化的互斥锁和条件变量具备默认属性,不过我们还能以非默认属性来初始化它们。

#include<pthread.h>
 
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mptr,const pthread_mutex_mutexattr_t *attr);
int pthread_mutex_destory(pthread_mutex_t *mptr);
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cptr,const pthread_cond_condattr_t *attr);
int pthread_cond_destory(pthread_cond_t *cptr);


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