1.Linux线程同步

1.1.同步概念与竞态条件

线程互斥的设计是正确的，但线程互斥在某些场景下并不合理，有可能导致饥饿问题。

$\bullet$ 饥饿问题：某个执行流访问完临界资源后释放锁，此时相较于其他执行流，该执行流离锁更近，更容易再次申请到锁进而访问临界资源，其他执行流长时间得不到锁，无法访问临界资源的情况就是饥饿问题。

$\bullet$ 解决饥饿问题：某个执行流访问完临界资源后释放锁，此时该执行流不能再立即申请锁，而应该排到其他执行流的尾部，等到其他执行流申请锁访问完临界资源后再去申请锁。

线程同步：我们在保证线程互斥的条件下（保证临界资源安全的前提下），让线程能够按照某种特定的顺序访问临界资源，这种特性我们就叫做线程同步。

竞态条件：因为时序问题，而导致程序异常，我们称之为竞态条件。

同步的功能：解决饥饿问题；让线程之间互相协同。

注：线程互斥和线程同步不是对立的关系，而是互相补充的关系。线程互斥保证安全，线程同步保证合理。

1.2.条件变量

$\bullet$ 条件变量是完成线程同步的重要机制。

$\bullet$ 在学习条件变量之前，哪个线程被唤醒并执行是由调度器决定的。学习了调度器，我们可以使用调度器来主动的唤醒并执行某个线程。

$\bullet$ 当一个线程互斥地访问某个变量时，它可能发现在其它线程改变状态之前，它什么也做不了。例如：一个线程访问队列时，发现队列为空，它只能等待，只到其它线程将一个节点添加到队列中。这种情况就需要用到条件变量。

1.2.1.条件变量相关接口

定义条件变量：
pthread_cond_t cond;

初始化条件变量（两种方式）：

$\bullet$ 如果条件变量cond是全局变量或static修饰的静态变量，既可以直接使用宏进行静态初始化，也可以使用下面的动态初始化。

$\bullet$ 如果条件变量cond是局部变量，应采用动态初始化。

方式一：静态初始化
cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER
方式二：动态初始化
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,const pthread_condattr_t *restrict
attr);
参数：

cond：要初始化的条件变量

attr：条件变量属性，设置为NULL即可

返回值：

成功返回0,失败返回错误号

销毁条件变量：
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
参数：

cond：要销毁的条件变量

返回值：

成功返回0,失败返回错误号

注：使用 PTHREAD_COND_INITIALIZER 初始化的条件变量不需要销毁。

等待条件满足（两种方式）：

方式一：

线程进行等待（在条件变量cond排队等待），如果条件满足则等待的线程被唤醒并执行。
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex);
参数：

cond：要在这个条件变量上等待

mutex：互斥量

注：条件变量cond要和互斥锁mutex一并使用。

方式二：

线程进行等待（在条件变量cond排队等待），如果条件满足则线程被唤醒并执行，如果abstime时间后还没有条件满足被唤醒则线程自动醒来。
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex,const struct timespec *restrict abstime);
参数：

cond：要在这个条件变量上等待

mutex：互斥量

abstime：等待时间

唤醒等待（两种方式）：

方式一：

唤醒在cond条件变量下等待的队首的线程
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
参数：

cond：要唤醒线程等待的条件变量

方式二：

唤醒在cond条件变量下等待的队中所有的线程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
参数：

cond：要唤醒线程等待的条件变量

代码示例1：

创建mythread.cc文件，写入下图一所示的代码，创建makefile文件，写入下图二所示的代码，使用make命令生成mythread可执行程序，使用./mythread命令运行mythread可执行程序，如下图三所示。

创建三个线程执行waitCommand函数，每个线程在函数内部执行到pthread_cond_wait函数调用时都会在条件变量cond下排队等待，等待条件就绪时按照队伍顺序依次被唤醒并执行。

注：在上面的代码中没有用到互斥锁mutex，但是pthread_cond_wait函数接口需要，所以要定义。