线程间通信方式（互斥（互斥锁）与同步（无名信号量、条件变量））

news2024/10/6 18:33:44

1通信机制：互斥与同步

线程的互斥通过线程的互斥锁完成；

线程的同步通过无名信号量或者条件变量完成。

2  互斥

2.1 何为互斥？

        互斥是在多个线程在访问同一个全局变量的时候，先让这个线程争抢锁的资源，那个线程争抢到资源，它可以访问这个变量，没有争抢到资源的线程不能够访问这个变量。那这种只有一个线程能够访问到这个变量的现象称之为线程间互斥。

2.2互斥锁API

1.定义互斥锁
    pthread_mutex_t mutex;
2.初始化线程互斥锁
    pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
 //静态初始化


 int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t * mutex,
                           const pthread_mutexattr_t * attr);
 //动态初始化
 功能：初始化互斥锁
    参数：
        @mutex:被初始化的锁
  @attr:锁的属性，一般填写为NULL(默认属性)
 返回值：成功返回0，失败返回错误码
3.上锁
     int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
  //尝试获取锁，如果锁资源存在那就占用锁，如果锁资源不可利用，立即返回。
  int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
  功能：上锁（如果线程获取不到锁的资源，线程阻塞，直到其他的线程将锁释放）
     参数：
          @mutex:执行锁的指针
  返回值：成功返回0，失败返回错误码
4.解锁
 int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
 功能：解锁
 参数：
          @mutex:执行锁的指针
  返回值：成功返回0，失败返回错误码 
5.销毁锁
 int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
 功能：销毁互斥锁
    参数：
        @mutex:执行锁的指针
 返回值：成功返回0，失败返回错误码

实例

#include <head.h>
volatile int money = 1000;
pthread_mutex_t lock; // 定义线程互斥锁
void *thread1(void *arg)
{
    while (1)
    {
        pthread_mutex_lock(&lock); // 上锁
        money -= 50;
        if (money >= 0)
        {
            printf("张三取走了50块钱,余额 = %d\n", money);
        }
        else
        {
            money += 50;
            printf("张三取钱失败，余额不足...\n");
            pthread_mutex_unlock(&lock); // 解锁
            pthread_exit(NULL);
        }
        // sleep(1);
        pthread_mutex_unlock(&lock); // 解锁
    }
}
void *thread2(void *arg)
{
    while (1)
    {
        pthread_mutex_lock(&lock); // 上锁
        money -= 100;
        if (money >= 0)
        {
            printf("李四取走了100块钱,余额 = %d\n", money);
        }
        else
        {
            money += 100;
            printf("李四取钱失败，余额不足...\n");
            pthread_mutex_unlock(&lock); // 解锁
            pthread_exit(NULL);
        }
        // sleep(1);
        pthread_mutex_unlock(&lock); // 解锁
    }
}
int main(int argc, const char *argv[])
{
    pthread_t tid1, tid2; // typedef unsigned long int pthread_t;
    if ((errno = pthread_mutex_init(&lock, NULL)) != 0)
    { // 线程互斥锁初始化
        perror("pthread_mutex_init error");
        exit(-1);
    }
    if ((errno = pthread_create(&tid1, NULL, thread1, NULL)) != 0)
    {
        perror("pthread_create error");
        exit(-1);
    }
    if ((errno = pthread_create(&tid2, NULL, thread2, NULL)) != 0)
    {
        perror("pthread_create error");
        exit(-1);
    }
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);
    pthread_mutex_destroy(&lock);
    return 0;
}

 运行结果

注：使用锁不当可能会产生死锁，死锁规避方法

1.指定线程获取锁的状态

2.尽量避免锁的嵌套使用

3.给线程上锁指定超时时间

4.在全局位置指定锁是否被使用的状态，如果被使用，就不在获取锁（使用volatile int flag=0或1）

        3.同步

3.1 何为同步

线程同步机制是指线程的顺序执行，在线程执行前已经编排好了线程的执行顺序。就不会出现同一时间有多个现在在争抢临界资源了。线程的同步机制一般使用在生成者和消费者模型上(本身也是强调顺序)。

3.2  无名信号量API

注：无名信号量适合线程数比较少的情况的线程同步

#include <semaphore.h>
1.定义无名信号量
    sem_t sem;
2.初始化无名信号量
 int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
 功能：初始化无名信号量
    参数：
        @sem:指向无名信号量的指针
        @pshared:0 线程的同步
              1 进程的同步（亲缘关系进程）
        @value:信号的初值  1 0
 返回值：成功返回0，失败返回-1置位错误码
3.获取信号量（P操作）
    int sem_wait(sem_t *sem);
 功能：申请资源（让信号量的值减去1，然后和0比较如果结果为0，表示获取锁成功了）    
        如果在调用sem_wait的时候获取不到资源，sem_wait会阻塞
    参数：
        @sem:指向无名信号量的指针
 返回值：成功返回0，失败返回-1置位错误码
4.释放信号量（V操作）
    int sem_post(sem_t *sem);
 功能：释放资源
 参数：
        @sem:指向无名信号量的指针
 返回值：成功返回0，失败返回-1置位错误码
5.销毁无名信号量
 int sem_destroy(sem_t *sem);
 功能：销毁无名信号量
 参数：
        @sem:指向无名信号量的指针
 返回值：成功返回0，失败返回-1置位错误码

实例

要求：有三个线程A,B,C它们分别打印B、G、M三个字符,请使用无名信号量让这三个线程依次打印        BGM

            BGM

            BGM....

03_pthread_wumingxinhaoliang_lizi.c

#include <head.h>
sem_t sem1, sem2, sem3; // 定义无名信号量
void *thread1(void *arg)
{
    while (1)
    {
        sem_wait(&sem1);
        printf("E");
        sem_post(&sem2);
    }
}
void *thread2(void *arg)
{
    while (1)
    {
        sem_wait(&sem2);
        printf("G");
        sem_post(&sem3);
    }
}
void *thread3(void *arg)
{
    while (1)
    {
        sem_wait(&sem3);
        printf("M\n");
        sleep(1);
        sem_post(&sem1);
    }
}
int main(int argc, const char *argv[])
{
    pthread_t tid1, tid2, tid3;
    sem_init(&sem1, 0, 1); // 无名信号量初始化
    sem_init(&sem2, 0, 0);
    sem_init(&sem3, 0, 0);
    if ((errno = pthread_create(&tid1, NULL, thread1, NULL)) != 0)
    {
        perror("pthread create1 error");
        exit(-1);
    }
    if ((errno = pthread_create(&tid2, NULL, thread2,NULL)) != 0)
    {
        perror("pthread create2 error");
        exit(-1);
    }
    if ((errno = pthread_create(&tid3, NULL, thread3, NULL)) != 0)
    {
        perror("pthread create3 error");
        exit(-1);
    }

    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);
    pthread_join(tid3, NULL);
    sem_destroy(&sem1); // 销毁无名信号量
    sem_destroy(&sem2);
    sem_destroy(&sem3);
    return 0;
}

执行gcc 03_pthread_wumingxinhaoliang_lizi.c -lpthread 编译

运行结果

3.3 条件变量API

        条件变量和无名信号量都是用于线程同步，用哪一个？

        无名信号量适合线程数比较少的情况的线程同步，而条件变量适合大量线程的同步工作。

1.定义条件变量
 pthread_cond_t cond;

2.初始化条件变量
    pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
    //静态初始化 
    int pthread_cond_init(pthread_cond_t * cond,const pthread_condattr_t * attr);
    功能：动态初始化一个条件变量
    参数：
       @cond：条件变量的指针
       @attr:NULL使用默认属性
    返回值：成功返回0，失败返回非0

3.阻塞等待条件变量
    int pthread_cond_wait(pthread_cond_t * cond,pthread_mutex_t * mutex);
    功能：阻塞等待条件变量，在条件变量中维护了一个队列，这里的互斥锁就是为
        了解决在往队列中放线程的时候出现竞态问题的。
    使用的步骤：
        1.使用pthread_mutex_lock上锁
        2.调用pthread_cond_wait
            2.1将当前线程放入队列
            2.2解锁
            2.3休眠
            2.4获取锁（PS：此时是为了防止出入队列冲突 假设就剩一个元素，是先进还是先出 要争抢一个锁才行） 
            2.5休眠状态退出
        3.你的程序
        4.使用pthread_mutex_unlock解锁
    参数：
        @cond:条件变量的地址
        @mutex:互斥锁
    返回值：成功返回0，失败返回非零
        
     
4.给休眠的线程发信号或者广播
    int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
    功能：唤醒(至少)一个休眠的线程
    参数：
        @cond:条件变量的地址
    返回值：成功返回0，失败返回非零
    int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
    功能：唤醒所有休眠的线程
    参数：
        @cond:条件变量的地址
    返回值：成功返回0，失败返回非零     
       
5.销毁条件变量     
    int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
    功能：销毁条件变量
    参数：
         @cond:条件变量的地址
    返回值：成功返回0，失败返回非零 ，

实例：

一个生产者线程多个消费者线程（同步）

#include <head.h>
pthread_mutex_t lock; // 定义互斥锁
pthread_cond_t cond;  // 定义条件变量
void *thread1(void *arg)
{
    while(1){
        sleep(1);//sleep（1）一下 调用thread2的线程全部进入休眠了 
        printf("我生产了一部手机..\n");
        pthread_cond_signal(&cond);
        // pthread_cond_broadcast(&cond);
    }
}
void *thread2(void *arg)
{
    while(1){
        pthread_mutex_lock(&lock);
        pthread_cond_wait(&cond,&lock);
        printf("%#lx:购买了一部手机\n",pthread_self());
        pthread_mutex_unlock(&lock);
    }
}

int main(int argc, const char *argv[])
{
    pthread_t tid1, tid2, tid3, tid4, tid5;
    pthread_mutex_init(&lock, NULL); // 初始化锁
    pthread_cond_init(&cond, NULL);  // 初始化条件变量
    if ((errno = pthread_create(&tid1, NULL, thread1, NULL)) != 0)
    {
        perror("pthread create1 error");
        exit(-1);
    }
    if ((errno = pthread_create(&tid2, NULL, thread2, NULL)) != 0)
    {
        perror("pthread create2 error");
        exit(-1);
    }
    if ((errno = pthread_create(&tid3, NULL, thread2, NULL)) != 0)
    {
        perror("pthread create3 error");
        exit(-1);
    }
    if ((errno = pthread_create(&tid4, NULL, thread2, NULL)) != 0)
    {
        perror("pthread create4 error");
        exit(-1);
    }
    if ((errno = pthread_create(&tid5, NULL, thread2, NULL)) != 0)
    {
        perror("pthread create5 error");
        exit(-1);
    }
    printf("tid1 = %#lx,tid2 = %#lx,tid3 = %#lx,tid4 = %#lx,tid5 = %#lx\n", tid1, tid2, tid3, tid4, tid5);
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);
    pthread_join(tid3, NULL);
    pthread_join(tid4, NULL);
    pthread_join(tid5, NULL);

    return 0;
}

运行结果

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