1.同步概念

所谓同步，即同时起步，协调一致。不同的对象，对“同步”的理解方式略有不同。如，设备同步，是指在两个设备之间规定一个共同的时间参考；数据库同步，是指让两个或多个数据库内容保持一致，或者按需要部分保持一致；文件同步，是指让两个或多个文件夹里的文件保持一致。等等而，编程中、通信中所说的同步与生活中大家印象中的同步概念略有差异。“同”字应是指协同、协助、互相配合。主旨在协同步调，按预定的先后次序运行。

2线程同步

同步即协同步调，按预定的先后次序运行。

线程同步，指一个线程发出某一功能调用时，在没有得到结果之前，该调用不返回。同时其它线程为保证数据 一致性，不能调用该功能。

举例 1 ：银行存款 5000 。柜台，折：取 3000 ；提款机，卡：取 3000 。剩余： 2000

举例 2 ：内存中 100 字节，线程 T1 欲填入全 1 ，线程 T2 欲填入全 0 。但如果 T1 执行了 50 个字节失去 cpu ， T2执行，会将 T1 写过的内容覆盖。当 T1 再次获得 cpu 继续从失去 cpu 的位置向后写入 1 ，当执行结束，内存中的100 字节，既不是全 1 ，也不是全 0 。产生的现象叫做“与时间有关的错误”(time related) 。为了避免这种数据混乱，线程需要同步。“同步”的目的，是为了避免数据混乱，解决与时间有关的错误。实际上，不仅线程间需要同步，进程间、信号间等等都需要同步机制。因此，所有“多个控制流，共同操作一个共享资源”的情况，都需要同步。

3.数据混乱原因：

1. 资源共享（独享资源则不会）

2. 调度随机（意味着数据访问会出现竞争）

3. 线程间缺乏必要的同步机制。

以上 3 点中，前两点不能改变，欲提高效率，传递数据，资源必须共享。只要共享资源，就一定会出现竞争。只要存在竞争关系，数据就很容易出现混乱。所以只能从第三点着手解决。使多个线程在访问共享资源的时候，出现互斥。

4 互斥量 mutex

Linux 中提供一把互斥锁 mutex （也称之为互斥量）。每个线程在对资源操作前都尝试先加锁，成功加锁才能操作，操作结束解锁。资源还是共享的，线程间也还是竞争的，但通过“锁”就将资源的访问变成互斥操作，而后与时间有关的错误也不会再产生了。

但，应注意：同一时刻，只能有一个线程持有该锁。

当 A 线程对某个全局变量加锁访问， B 在访问前尝试加锁，拿不到锁， B 阻塞。 C 线程不去加锁，而直接访问该全局变量，依然能够访问，但会出现数据混乱。所以，互斥锁实质上是操作系统提供的一把“建议锁”（又称“协同锁”），建议程序中有多线程访问共享资源的时候使用该机制。但，并没有强制限定。因此，即使有了 mutex，如果有线程不按规则来访问数据，依然会造成数据混乱。

5 主要应用函数

pthread_mutex_init 函数

pthread_mutex_destroy 函数

pthread_mutex_lock 函数

pthread_mutex_trylock 函数

pthread_mutex_unlock 函数

以上 5 个函数的返回值都是：成功返回 0 ，失败返回错误号。

pthread_mutex_t 类型，其本质是一个结构体。为简化理解，应用时可忽略其实现细节， 简单当成整数看待。pthread_mutex_t mutex; 变量 mutex 只有两种取值 1 、 0 。

pthread_mutex_init 函数

初始化一个互斥锁 ( 互斥量 ) ---> 初值可看作 1

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

参 1 ：传出参数，调用时应传 &mutex restrict 关键字：只用于限制指针，告诉编译器，所有修改该指针指向内存中内容的操作，只能通过本指针完成。不能通过除本指针以外的其他变量或指针修改参 2：互斥量属性。是一个传入参数，通常传 NULL ，选用默认属性 ( 线程间共享 ) 。参 APUE.12.4 同步属性

1. 静态初始化：如果互斥锁 mutex 是静态分配的（定义在全局，或加了 static 关键字修饰），可以直接使用宏进行初始化。e.g. pthead_mutex_t muetx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

pthread_mutex_destroy 函数

销毁一个互斥锁

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_lock 函数

加锁。可理解为将 mutex-- （或 -1 ），操作后 mutex 的值为 0 。

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_unlock 函数

解锁。可理解为将 mutex ++ （或 +1 ），操作后 mutex 的值为 1 。

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_trylock 函数

尝试加锁

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

6 加锁与解锁

6.1 lock 与 unlock

lock 尝试加锁，如果加锁不成功，线程阻塞，阻塞到持有该互斥量的其他线程解锁为止。

unlock 主动解锁函数， 同时将阻塞在该锁上的所有线程 全部唤醒 ，至于哪个线程先被唤醒，取决于优先级、调度。默认：先阻塞、先唤醒。例如：T1 T2 T3 T4 使用一把 mutex 锁。 T1 加锁成功，其他线程均阻塞，直至 T1 解锁。 T1 解锁后， T2 T3 T4 均被唤醒，并自动再次尝试加锁。可假想 mutex 锁 init 成功初值为 1 。 lock 功能是将 mutex-- 。而 unlock 则将 mutex++ 。

6.2 lock 与 trylock

lock 加锁失败会阻塞，等待锁释放。trylock 加锁失败直接返回错误号（如： EBUSY ），不阻塞。

加锁步骤测试：

看如下程序：该程序是非常典型的，由于共享、竞争而没有加任何同步机制，导致产生于时间有关的错误，造

成数据混乱：

#include <stdio.h>

#include <pthread.h>

#include <unistd.h>

void *tfn(void *arg)

{

srand(time(NULL));

while (1) {

printf("hello ");

sleep(rand() % 3); /* 模拟长时间操作共享资源，导致 cpu 易主，产生与时间有关的错误 */

printf("world\n");

sleep(rand() % 3);

}

return NULL;

}

int main(void)

{

pthread_t tid;

srand(time(NULL));

pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);

while (1) {

printf("HELLO ");

sleep(rand() % 3);

printf("WORLD\n");

sleep(rand() % 3);

}

pthread_join(tid, NULL);

return 0;

}

【 mutex.c 】

【练习】：修改该程序，使用 mutex 互斥锁进行同步。

1. 定义全局互斥量，初始化 init(&m, NULL) 互斥量，添加对应的 destry

2. 两个线程 while 中，两次 printf 前后，分别加 lock 和 unlock

3. 将 unlock 挪至第二个 sleep 后，发现交替现象很难出现。

线程在操作完共享资源后本应该立即解锁，但修改后，线程抱着锁睡眠。睡醒解锁后又立即加锁，这两个库函数本身不会阻塞。所以在这两行代码之间失去 cpu 的概率很小。因此，另外一个线程很难得到加锁的机会。

4. main 中加 flag = 5 将 flg 在 while 中 -- 这时，主线程输出 5 次后试图销毁锁，但子线程未将锁释放，无法完成。

结论：

在访问共享资源前加锁，访问结束后 立即解锁 。锁的“粒度”应越小越好。

6.3 死锁

1. 线程试图对同一个互斥量 A 加锁两次。

2. 线程 1 拥有 A 锁，请求获得 B 锁；线程 2 拥有 B 锁，请求获得 A 锁

【作业】：编写程序，实现上述两种死锁现象。

6.4 读写锁

与互斥量类似，但读写锁允许更高的并行性。其特性为： 写独占，读共享 。

6.5 读写锁状态

特别强调：读写锁 只有一把 ，但其具备两种状态：

1. 读模式下加锁状态 ( 读锁 )

2. 写模式下加锁状态 ( 写锁 )

6.6 读写锁特性

1. 读写锁是“写模式加锁”时，解锁前，所有对该锁加锁的线程都会被阻塞。

2. 读写锁是“读模式加锁”时，如果线程以读模式对其加锁会成功；如果线程以写模式加锁会阻塞。

3. 读写锁是“读模式加锁”时，既有试图以写模式加锁的线程，也有试图以读模式加锁的线程。那么读写锁会阻塞随后的读模式锁请求。优先满足写模式锁。读锁、写锁并行阻塞， 写锁优先级高

读写锁也叫共享 - 独占锁。当读写锁以读模式锁住时，它是以共享模式锁住的；当它以写模式锁住时，它是以独占模式锁住的。 写独占、读共享。 读写锁非常适合于对数据结构读的次数远大于写的情况。

主要应用函数：

pthread_rwlock_init 函数

pthread_rwlock_destroy 函数

pthread_rwlock_rdlock 函数

pthread_rwlock_wrlock 函数

pthread_rwlock_tryrdlock 函数

pthread_rwlock_trywrlock 函数

pthread_rwlock_unlock 函数

以上 7 个函数的返回值都是：成功返回 0 ，失败直接返回错误号。

pthread_rwlock_t 类型用于定义一个读写锁变量。

pthread_rwlock_t rwlock;

pthread_rwlock_init 函数

初始化一把读写锁

int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);

参 2 ： attr 表读写锁属性，通常使用默认属性，传 NULL 即可。

pthread_rwlock_destroy 函数

销毁一把读写锁

int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

pthread_rwlock_rdlock 函数

以读方式请求读写锁。（常简称为：请求读锁）

int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

pthread_rwlock_wrlock 函数

以写方式请求读写锁。（常简称为：请求写锁）

int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

pthread_rwlock_unlock 函数

解锁

int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

pthread_rwlock_tryrdlock 函数

非阻塞以读方式请求读写锁（非阻塞请求读锁）

int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

pthread_rwlock_trywrlock 函数

非阻塞以写方式请求读写锁（非阻塞请求写锁）

int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

6.7 读写锁示例

看如下示例，同时有多个线程对同一全局数据读、写操作。

#include <stdio.h>

#include <unistd.h>

#include <pthread.h>

int counter;

pthread_rwlock_t rwlock;

/* 3 个线程不定时写同一全局资源， 5 个线程不定时读同一全局资源 */

void *th_write(void *arg)

{

int t, i = (int)arg;

while (1) {

pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);

t = counter;

usleep(1000);

printf("=======write %d: %lu: counter=%d ++counter=%d\n", i, pthread_self(), t, ++counter);

pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

usleep(10000);

}

return NULL;

}

void *th_read(void *arg)

{

int i = (int)arg;

while (1) {

pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);

printf("----------------------------read %d: %lu: %d\n", i, pthread_self(), counter);

pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

usleep(2000);

}

return NULL;

}

int main(void)

{

int i;

pthread_t tid[8];

pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);

for (i = 0; i < 3; i++)

pthread_create(&tid[i], NULL, th_write, (void *)i);

for (i = 0; i < 5; i++)

pthread_create(&tid[i+3], NULL, th_read, (void *)i);

for (i = 0; i < 8; i++)

pthread_join(tid[i], NULL);

pthread_rwlock_destroy(&rwlock);

return 0;

}

【 rwlock.c 】

6.8 条件变量

条件变量本身不是锁！但它也可以造成线程阻塞。通常与互斥锁配合使用。给多线程提供一个会合的场所。

主要应用函数：

pthread_cond_init 函数

pthread_cond_destroy 函数

pthread_cond_wait 函数

pthread_cond_timedwait 函数

pthread_cond_signal 函数

pthread_cond_broadcast 函数

以上 6 个函数的返回值都是：成功返回 0 ，失败直接返回错误号。

pthread_cond_t 类型用于定义条件变量

pthread_cond_t cond;

pthread_cond_init 函数

初始化一个条件变量

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);

参 2 ： attr 表条件变量属性，通常为默认值，传 NULL 即可

也可以使用静态初始化的方法，初始化条件变量：

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

pthread_cond_destroy 函数

销毁一个条件变量

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

pthread_cond_wait 函数

阻塞等待一个条件变量

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);

函数作用：

1. 阻塞等待条件变量 cond （参 1 ）满足

2. 释放已掌握的互斥锁（解锁互斥量）相当于 pthread_mutex_unlock(&mutex);

1.2. 两步为一个原子操作。

3. 当被唤醒， pthread_cond_wait 函数返回时，解除阻塞并重新申请获取互斥锁 pthread_mutex_lock(&mutex);

pthread_cond_timedwait 函数

限时等待一个条件变量

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec

*restrict abstime);

参 3 ：参看 man sem_timedwait 函数，查看 struct timespec 结构体。

struct timespec {

time_t tv_sec;

/* seconds */ 秒

long tv_nsec;

/* nanosecondes*/ 纳秒

}

形参 abstime ：绝对时间。

如： time(NULL) 返回的就是绝对时间。而 alarm(1) 是相对时间，相对当前时间定时 1 秒钟。

struct timespec t = {1, 0};

pthread_cond_timedwait (&cond, &mutex, &t); 只能定时到 1970 年 1 月 1 日

00:00:01 秒 ( 早已经过去 )

正确用法：

time_t cur = time(NULL); 获取当前时间。

struct timespec t; 定义 timespec 结构体变量 t

t.tv_sec = cur+1; 定时 1 秒

pthread_cond_timedwait (&cond, &mutex, &t); 传参

参 APUE.11.6 线程同步条件变量小节

在讲解 setitimer 函数时我们还提到另外一种时间类型：

struct timeval {

time_t tv_sec; /* seconds */ 秒

suseconds_t tv_usec; /* microseconds */ 微秒

};

pthread_cond_signal 函数

唤醒至少一个阻塞在条件变量上的线程

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

pthread_cond_broadcast 函数

唤醒全部阻塞在条件变量上的线程

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

6.9 生产者消费者条件变量模型

线程同步典型的案例即为生产者消费者模型，而借助条件变量来实现这一模型，是比较常见的一种方法。假定

有两个线程，一个模拟生产者行为，一个模拟消费者行为。两个线程同时操作一个共享资源（一般称之为汇聚），

生产向其中添加产品，消费者从中消费掉产品。

看如下示例，使用条件变量模拟生产者、消费者问题：

#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>

#include <pthread.h>

struct msg {

struct msg *next;

int num;

};

struct msg *head;

pthread_cond_t has_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void *consumer(void *p)

{

struct msg *mp;

for (;;) {

pthread_mutex_lock(&lock);

while (head == NULL) { // 头指针为空 , 说明没有节点可以为 if 吗

pthread_cond_wait(&has_product, &lock);

}

mp = head;

head = mp->next;

// 模拟消费掉一个产品

pthread_mutex_unlock(&lock);

printf("-Consume ---%d\n", mp->num);

free(mp);

sleep(rand() % 5);

}

}

void *producer(void *p)

{

struct msg *mp;

while (1) {

mp = malloc(sizeof(struct msg));

mp->num = rand() % 1000 + 1; // 模拟生产一个产品

printf("-Produce ---%d\n", mp->num);

pthread_mutex_lock(&lock);

mp->next = head;

head = mp;

pthread_mutex_unlock(&lock);

pthread_cond_signal(&has_product); // 将等待在该条件变量上的一个线程唤醒

sleep(rand() % 5);

}

}

int main(int argc, char *argv[])

{

pthread_t pid, cid;

srand(time(NULL));

pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);

pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);

pthread_join(pid, NULL);

pthread_join(cid, NULL);

return 0;

}

条件变量的优点：

相较于 mutex 而言，条件变量可以减少竞争。如直接使用 mutex ，除了生产者、消费者之间要竞争互斥量以外，消费者之间也需要竞争互斥量，但如果汇聚（链表）中没有数据，消费者之间竞争互斥锁是无意义的。有了条件变量机制以后，只有生产者完成生产，才会引起消费者之间的竞争。提高了程序效率。

信号量

进化版的互斥锁（ 1 --> N ）

由于互斥锁的粒度比较大，如果我们希望在多个线程间对某一对象的部分数据进行共享，使用互斥锁是没有办法实现的，只能将整个数据对象锁住。这样虽然达到了多线程操作共享数据时保证数据正确性的目的，却无形中导致线程的并发性下降。线程从并行执行，变成了串行执行。与直接使用单进程无异。信号量，是相对折中的一种处理方式，既能保证同步，数据不混乱，又能提高线程并发。

主要应用函数：

sem_init 函数

sem_destroy 函数

sem_wait 函数

sem_trywait 函数

sem_timedwait 函数

sem_post 函数

以上 6 个函数的返回值都是：成功返回 0 ，失败返回 -1 ，同时设置 errno 。 ( 注意，它们没有 pthread 前缀 )sem_t 类型，本质仍是结构体。但应用期间可简单看作为整数，忽略实现细节（类似于使用文件描述符）。sem_t sem; 规定信号量 sem 不能 < 0 。头文件 <semaphore.h>

信号量基本操作：

sem_wait:

1. 信号量大于 0 ，则信号量 --

（类比 pthread_mutex_lock ） |

2. 信号量等于 0 ，造成线程阻塞

对应

| sem_post：将信号量 ++ ，同时唤醒阻塞在信号量上的线程

（类比 pthread_mutex_unlock ）

但，由于 sem_t 的实现对用户隐藏，所以所谓的 ++ 、 -- 操作只能通过函数来实现，而不能直接 ++ 、 -- 符号。

信号量的初值，决定了占用信号量的线程的个数。

sem_init 函数

初始化一个信号量

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

参 1 ： sem 信号量

参 2 ： pshared 取 0 用于线程间；取非 0 （一般为 1 ）用于进程间

参 3 ： value 指定信号量初值

sem_destroy 函数

销毁一个信号量

sem_wait 函数

给信号量加锁 --

int sem_wait(sem_t *sem);

sem_post 函数

给信号量解锁 ++

int sem_post(sem_t *sem);

sem_trywait 函数

尝试对信号量加锁 -- ( 与 sem_wait 的区别类比 lock 和 trylock)

int sem_trywait(sem_t *sem);

sem_timedwait 函数

限时尝试对信号量加锁 --

int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);

参 2 ： abs_timeout 采用的是绝对时间。

定时 1 秒：

time_t cur = time(NULL); 获取当前时间。

struct timespec t; 定义 timespec 结构体变量 t

t.tv_sec = cur+1; 定时 1 秒

t.tv_nsec = t.tv_sec +100;

sem_timedwait(&sem, &t); 传参

生产者消费者信号量模型

【练习】：使用信号量完成线程间同步，模拟生产者，消费者问题。

分析：

规定：如果□中有数据，生产者不能生产，只能阻塞。

如果□中没有数据，消费者不能消费，只能等待数据。

定义两个信号量： S 满 = 0 ， S 空 = 1 （

S 满代表满格的信号量， S 空表示空格的信号量，程序起始，格子一定

为空）

所以有：

T 生产者主函数 {

T 消费者主函数 {

sem_wait(S 空 );

sem_wait(S 满 );

生产 ....

消费 ....

sem_post(S 满 );

sem_post(S 空 );

}

假设：线程到达的顺序是 :T 生、 T 生、 T 消。那么： T 生 1 到达，将 S 空 -1 ，生产，将 S 满 +1T 生 2 到达， S 空已经为 0 ，阻塞T 消到达，将 S 满 -1 ，消费，将 S 空 +1 三个线程到达的顺序是：T 生 1 、 T 生 2 、 T 消。而执行的顺序是 T 生 1 、 T 消、 T 生 2这里，S 空表示空格子的总数，代表可占用信号量的线程总数 -->1 。其实这样的话，信号量就等同于互斥锁。但，如果 S 空 =2 、 3 、 4 ……就不一样了，该信号量同时可以由多个线程占用，不再是互斥的形式。因此我们说信号量是互斥锁的加强版。

【推演练习】：

理解上述模型，推演，如果是两个消费者，一个生产者，是怎么样的情况。

【作业】：结合生产者消费者信号量模型，揣摩 sem_timedwait 函数作用。编程实现，一个线程读用户输入，另一个线程打印“hello world ”。如果用户无输入，则每隔 5 秒向屏幕打印一个“ hello world ”；如果用户有输入，立刻打印“hello world ”到屏幕。