Linux: 线程同步

news2025/4/17 2:15:30

一前言

二线程饥饿

三线程同步

四条件变量

1. cond （ condition）

2. pthread_cond_wait() ：

3. pthread_cond_signal()

五条件变量的使用

一前言

在上篇文章Linux : 多线程互斥-CSDN博客我们讲解了线程互斥的概念，为了防止多个线程同时访问一份临界资源而出问题，我们引入了线程互斥，线程互斥其实就是多个线程同时争抢一份资源，谁抢到了就是谁的，抢不到的只能等待着下一次抢。虽然解决了多个线程同时访问同一资源所产生的问题，但是我们思考一下这样子合理吗？不合理，这会产生另一种问题——线程饥饿。

二线程饥饿

那么线程饥饿是什么呢？为了便于理解，我们可以极端的考虑问题，假设在多线程情况下，存在着两类优先级不同的线程，一类线程的优先级非常高，另一类的线程的优先级非常低，他们开始同时争抢临界资源，假设高优先级的线程拿到了资源，上了锁之后，其他的线程只能等。直到该线程使用完临近资源后解锁，接着所有线程又开始争抢资源，而高优先级的线程因为其优先性会再一次争抢到资源，如循环往复，导那些低优先级的线程总是在等待中，永远拿不到或者很少次数拿到资源，这样被称为饥饿或者饿死。这种争抢临界资源的方式虽然是没有什么错误，但是总归来说是不合理的。

三线程同步

在线程只使用互斥的方式去访问临界资源的时候，就可能会出现某些线程饥饿的情况。那么在操作系统中有没有一种机制，在某一时刻既可以只让一个线程去访问临界资源，但是又可以让所有的的线程按照一定的顺序访问资源呢？所有的线程就像排队一样一个个轮流访问资源，当某一线程访问玩临界资源的时候，他就去队尾等待。这样所有的线程的执行流都可以访问到资源，从而杜绝了线程饥饿的问题。这样的机制叫做——同步，即线程同步：在保证临界资源安全的前提下，让执行流访问临界资源具有一定的顺序性。

四条件变量

那么同步是怎么实现的呢？同步离不开一个东西——条件变量，条件变量是一种可以实现线程同步的机制，通过条件变量，可以实现让线程有序的访问临界资源。

条件变量，顾名思义它是一个执行的“条件”，当线程需要访问临界资源时，如果临界资源不满足一定的条件，那就让线程进行等待，如果满足条件，则让线程继续恢复执行的机制。它是一个 pthread_cond_t 结构体类型的变量，并且在 pthread 库中也提供了一些条件变量相关的接口。

1. cond （ condition）

pthread_cond_t 是定义条件变量的类型。

条件变量的使用是和互斥锁差不多的。

条件变量的初始化可以和互斥量相同有两种，一种是调用接口 pthread_cond_init() 初始化，第一个参数是条件变量的地址，第二个参数是条件变量的属性（暂时不考虑）。需要注意的是，用该接口初始化的条件变量在不需要使用的时候，需要调用 pthread_cond_destroy() 接口来销毁掉。
使用宏初始化的条件变量就不用手动调用接口来销毁了。

2. pthread_cond_wait() ：

条件变量等待的接口

这么多等待的接口中 pthread_cond_wait() 接口是最常用的，它是pthread库提供的使用条件变量等待的接口，线程调用此接口，线程就会立即进入等待。
pthread_cond_timedwait() 也是pthread提供给的使用条件变量等待的接口，不过看他的名字也知道它是一种定时让线程等待的接口，即可以通过该接口设置一定的时间，在此时间内让线程等待，如果此时间内，条件满足了，线程就会被自动唤醒，继续执行代码。
我们可以看到这两个接口的参数中都有互斥锁，他们是和互斥锁一起配合使用的。

上面讲到了两个通过条件变量让线程进行等待的接口，既然有等待的接口，那么自然就存在着通过条件变量去唤醒线程的接口。如下

3. pthread_cond_signal()

调用该接口可以让某个通过指定条件变量陷入等待的线程被唤醒。

五条件变量的使用

下面我们写个测试使用一下条件变量

#include <iostream>
#include <string>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

int tickets=1000;
pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;//定义一个锁
pthread_cond_t cond =PTHREAD_COND_INITIALIZER;//定义一个条件变量

void* start_routine(void* args)
{
    std::string name =static_cast<const char*>(args);
    while(true)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        pthread_cond_wait(&cond,&mutex);

        std::cout<<name<<" ->"<<tickets--<<std::endl;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
}

int main()
{
    //通过条件变量控制线程的执行
    pthread_t t1,t2;
    pthread_create(&t1,nullptr,start_routine,(void*)"thread 1");
    pthread_create(&t2,nullptr,start_routine,(void*)"thread 2");
    while(true)
    {
        sleep(1);
        pthread_cond_signal(&cond);//唤醒该条件下所以的线程
        std::cout<<"main thread wake up one thread...."<<std::endl;
    }
    pthread_join(t1,nullptr);
    pthread_join(t2,nullptr);

    return 0;
}

测试结果

从测试结果可以看到pthread_cond_signal()对线程的唤醒是以一定顺序来进行的。注意，pthread_cond_signal()是一次对一个线程进行唤醒，我们也可以使用 pthread_cond_broadcast()来唤醒所有的在等待中的线程。

int main()
{
    //通过条件变量控制线程的执行
    pthread_t t1,t2;
    pthread_create(&t1,nullptr,start_routine,(void*)"thread 1");
    pthread_create(&t2,nullptr,start_routine,(void*)"thread 2");
    while(true)
    {
        sleep(1);
        //一次唤醒所以线程
        pthread_cond_broadcast(&cond);//唤醒该条件下所以的线程
        std::cout<<"main thread wake up one thread...."<<std::endl;
    }
    pthread_join(t1,nullptr);
    pthread_join(t2,nullptr);

    return 0;
}