Linux系统中线程同步方式中的条件变量方法

    大家好，我是ST。

    今天主要和大家聊一聊，如何使用Linux中线程同步方式中的条件变量。

第一：条件变量基本简介

    条件变量是线程可用的另一种同步机制，条件变量用于自动阻塞线程，知道某个特定事件或某个条件满足为止，通常情况下，条件变量是和互斥锁一起搭配使用的。使用条件变量主要包括两个动作：

1、一个线程等待某个条件满足而被阻塞。

2、另一个线程中，条件满足时发出“信号”。

    例子：为了说明这个问题，来看一个没有使用条件变量的例子，生产者---消费者模式，生产者这边负责生产产品、而消费者负责消费产品，对于消费者来说，没有产品的时候只能等待产品出来，有产品就使用它。

     这里我们使用一个变量来表示这个产品，生产者生产一件产品变量加1，消费者消费一次变量减1.

 

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
static pthread_mutex_t mutex;
static int g_avail = 0;
/* 消费者线程 */
static void *consumer_thread(void *arg)
{
 for ( ; ; ) {
 pthread_mutex_lock(&mutex);//上锁
 while (g_avail > 0)
 g_avail--; //消费
 pthread_mutex_unlock(&mutex);//解锁
 }
 return (void *)0;
}
/* 主线程（生产者） */
int main(int argc, char *argv[])
{
 pthread_t tid;
 int ret;
 /* 初始化互斥锁 */
 pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
 /* 创建新线程 */
 ret = pthread_create(&tid, NULL, consumer_thread, NULL);
 if (ret) {
 fprintf(stderr, "pthread_create error: %s
", strerror(ret));
 exit(-1);
 }
 for(;;){
   pthread_mutex_lock(&mutex);  //上锁
   g_avail++;  //生产
   pthread_mutex_unlock(&mutex); //解锁
 }
 exit(0);
 }   

 

分析：上述代码虽然可行，但由于新线程中会不停的循环检查全局变量 g_avail 是否大于 0，故而造成 CPU 资源的浪费。采用条件变量这一问题就可以迎刃而解。

第二：条件变量初始化方法

    条件变量使用pthread_cond_t数据类型来表示，在使用条件变量之前必须对其进行初始化。

    pthread_cond_init()函数原型如下所示：

 

#include 
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr);

 

   同样，使用这些函数需要包含头文件,使用pthread_cond_init()函数初始化条件变量，当不再使用时，使用pthread_cond_destroy()销毁条件变量。

      参数cond指向pthread_cond_t条件变量对象，对于pthread_cond_init()函数，类似于互斥锁，在初始化条件变量时设置条件变量的属性，参数 attr 指向一个 pthread_condattr_t 类型对象，pthread_condattr_t 数据类型用于描述条件变量的属性。可将参数 attr 设置为 NULL，表示使用属性的默认值来初始化条件变量，与使用 PTHREAD_COND_INITIALIZER 宏相同。

      函数调用成功返回0，失败将返回一个非0值的错误码。

使用注意：

1、在使用条件变量之前必须对条件变量进行初始化操作，使用 PTHREAD_COND_INITIALIZER 宏或者函数 pthread_cond_init()都行；

2、对已经初始化的条件变量再次进行初始化，将可能会导致未定义行为；

3、对没有进行初始化的条件变量进行销毁，也将可能导致未定义行为；

4、对某个条件变量而言，仅当没有任何线程等待它时，将其销毁才是最安全

第三：通知和等待条件变量

    条件变量的主要操作便是发送信号（signal）和等待。发送信号操作即是通知一个或多个处于等待状态的线程，某个共享变量的状态已经改变，这些处于等待状态的线程收到通知之后便会被唤醒，唤醒之后再检查条件是否满足。等待操作是指在收到一个通知前一直处于阻塞状态。

     函数pthread_cond_signal()和pthread_cond_broadcast()均可向指定的条件变量发送信号，通知一个或多个处于等待状态的线程。调用pthread_cond_wait()函数是线程阻塞，直到收到条件变量的通知。

     pthread_cond_signal()和 pthread_cond_broadcast()函数原型如下所示：

 

#include 
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

 

      当程序当中使用条件变量，当判断某个条件不满足时，调用 pthread_cond_wait()函数将线程设置为等待状态（阻塞）。pthread_cond_wait()函数包含两个参数：

 

#include 
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);

 

    cond：指向需要等待的条件变量，目标条件变量； 

    mutex：参数 mutex 是一个 pthread_mutex_t 类型指针，指向一个互斥锁对象；前面开头便给大家介绍了，条件变量通常是和互斥锁一起使用，因为条件的检测（条件检测通常是需要访问共享资源的）是在互斥锁的保护下进行的，也就是说条件本身是由互斥锁保护的。

返回值：调用成功返回 0；失败将返回一个非 0 值的错误码。

在 pthread_cond_wait()函数内部会对参数 mutex 所指定的互斥锁进行操作，通常情况下，条件判断以及pthread_cond_wait()函数调用均在互斥锁的保护下，也就是说，在此之前线程已经对互斥锁加锁了。调用pthread_cond_wait()函数时，调用者把互斥锁传递给函数，函数会自动把调用线程放到等待条件的线程列表上，然后将互斥锁解锁；当 pthread_cond_wait()被唤醒返回时，会再次锁住互斥锁。

代码实例：

 

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
static pthread_mutex_t mutex; //定义互斥锁
static pthread_cond_t cond; //定义条件变量
static int g_avail = 0; //全局共享资源
/* 消费者线程 */
static void *consumer_thread(void *arg)
{
 for ( ; ; ) {
 pthread_mutex_lock(&mutex);//上锁
 while (0 >= g_avail)
 pthread_cond_wait(&cond, &mutex);//等待条件满足
 while (0 < g_avail)
 g_avail--; //消费
 pthread_mutex_unlock(&mutex);//解锁
 }
 return (void *)0;
}
/* 主线程（生产者） */
int main(int argc, char *argv[])
{
 pthread_t tid;
 int ret;
 /* 初始化互斥锁和条件变量 */
 pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
 pthread_cond_init(&cond, NULL);
 /* 创建新线程 */
 ret = pthread_create(&tid, NULL, consumer_thread, NULL);
 if (ret) {
 fprintf(stderr, "pthread_create error: %s
", strerror(ret));
 exit(-1);
 }
 for ( ; ; ) {
 pthread_mutex_lock(&mutex);//上锁
 g_avail++; //生产
 pthread_mutex_unlock(&mutex);//解锁
 pthread_cond_signal(&cond);//向条件变量发送信号
 }
 exit(0);
}
 

 

    全局变量 g_avail 作为主线程和新线程之间的共享资源，两个线程在访问它们之间首先会对互斥锁进行上锁，消费者线程中，当判断没有产品可被消费时（g_avail <= 0），调用 pthread_cond_wait()使得线程陷入等待状态，等待条件变量，等待生产者制造产品；调用 pthread_cond_wait()后线程阻塞并解锁互斥锁；而在生产者线程中，它的任务是生产产品（使用g_avail++来模拟），产品生产完成之后，调用pthread_mutex_unlock()将互斥锁解锁，并调用 pthread_cond_signal()向条件变量发送信号；这将会唤醒处于等待该条件变量的消费者线程，唤醒之后再次自动获取互斥锁，然后再对产品进行消费（g_avai--模拟）。

总结：Linux系统中为了方便线程对共享资源的访问，条件变量在其中也会发挥重要作用。

　审核编辑：汤梓红