前言

線程同步意味著在多線程并發執行中，協調線程之間的執行順序，以確保共享資源被正確訪問和修改。線程同步的維護本質就是在安排線程之間的執行順序。那么在linux中是如何維護線程同步的呢？本篇文章將圍繞這個為題展開敘述。

線程同步的基本概念

下面介紹一些有關線程同步的基本概念。

條件變量

當一個線程互斥的訪問某個變量，即訪問臨界資源時給臨界區上互斥鎖，這個時候其它線程只能等待。那什么時候其它線程可以繼續申請臨界資源呢？我們希望當一個線程使用完臨界資源后，正在等待的線程能夠知道這一事件的發生從而重新申請資源，而不是一直重復申請這個動作。

就像一個鬧鐘，當鬧鐘響了之后我們就知道該起床了，而不是睡一下又看下時間。

條件變量提供一種線程通信的方法，使得一個線程可以等待另一個線程滿足某種條件后再繼續執行。具體的，我們將這種通知一個線程繼續執行的動作稱為喚醒。

于是，借助條件變量，我們就能實現協調線程之間訪問臨時資源的順序性。

同時線程庫給我們提供了一些接口用來操作條件變量，下面介紹一些常見的關于條件變量的操作。（頭文件都是pthread.h）

定義條件變量

初始化條件變量

1. 動態初始化

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

• cond ：要初始化的條件變量
• attr：條件變量的屬性，通常是NULL

2. 靜態初始化

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

銷毀條件變量

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

銷毀某個條件變量，成功返回0，失敗返回錯誤代碼

等待條件（重要）

如果當前線程沒有申請到臨界資源，該線程可以選擇等待。

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

在調用該函數時，互斥鎖mutex必須被鎖住，并等待喚醒。喚醒之后線程重新鎖住互斥鎖并繼續執行。值得注意的是，pthread_cond_wait函數首先會解鎖與之關聯的互斥鎖mutex,這也是為什么使用該函數時mutex必須是被鎖住的。然后調用該函數的線程進入阻塞狀態，直到被喚醒。最后，條件變量被通知之后，pthread_cond_wait重新鎖定互斥鎖mutex。
對于該函數提出以下問題：

• 為什么要在pthread_cond_wait中傳入互斥鎖？
  • 在調用 pthread_cond_wait 時，互斥鎖是已經鎖住的，確保沒有其他線程可以修改共享資源。
  • pthread_cond_wait 在進入等待狀態之前會自動釋放互斥鎖，使得其他線程可以修改條件。
  • 當線程被喚醒后，pthread_cond_wait 會重新獲得互斥鎖，然后再繼續執行，因為此時還在臨界區，還會訪問臨界資源。

喚醒等待

1. 喚醒某個線程

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

喚醒一個等待在條件變量 cond 上的線程。如果有多個線程在等待條件變量，具體喚醒哪一個線程是不確定的。
成功返回0，失敗則返回錯誤碼

2. 喚醒所有正在等待該條件變量的線程

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

喚醒所有等待在條件變量 cond 上的線程。同樣成功返回0，失敗則返回錯誤碼。

簡單運用

下面我們使用條件變量和互斥鎖來設計一個簡單的代碼樣例

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>using namespace std;pthread_cond_t cond;
pthread_mutex_t mutex;void *r1(void *arg) // 等待函數，執行該函數的線程一直處于while (true)
{pthread_cond_wait(&cond, &mutex);cout << "被喚醒" << endl;return arg;
}void *r2(void *arg) // 喚醒函數，執行該函數的線程一直嘗試喚醒某個等待的線程
{while (true){pthread_cond_signal(&cond);cout << "喚醒某個線程" << endl;sleep(1);}
}int main()
{pthread_t t1, t2; // 定義兩個線程pthread_cond_init(&cond, NULL);   // 初始化條件變量pthread_mutex_init(&mutex, NULL); // 初始化互斥鎖pthread_create(&t1, NULL, r1, NULL); // 創建線程并分配執行函數pthread_create(&t1, NULL, r2, NULL);pthread_join(t1, NULL); // 等待線程退出pthread_join(t2, NULL);pthread_mutex_destroy(&mutex); // 銷毀互斥鎖和條件變量pthread_cond_destroy(&cond);return 0;
}

常見使用條件變量的格式

• 等待條件代碼：

pthread_mutex_lock(&mutex); while (條件為假) //不滿足條件陷入等待，在循環中等待是為了防止偽喚醒pthread_cond_wait(cond, mutex); 
// ...
// 訪問臨界資源//...pthread_mutex_unlock(&mutex); 

• 給條件發送信號，即可以喚醒等待條件中的線程

pthread_mutex_lock(&mutex); 設置條件為真 pthread_cond_signal(cond); //喚醒某個線程pthread_mutex_unlock(&mutex);