互斥鎖、條件變量

一、互斥鎖

1. 函數原型：

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

分析：

pthread_mutex_t 類型，其本質是一個結構體，為簡化理解，應用時可忽略其實現細節，簡單當成整數看待。
pthread_mutex_t??mutex：變量mutex只有兩種取值0、1；
函數一參數1：傳出參數，調用時應傳&mutex

restrict關鍵字：只用于限制指針，告訴編譯器，所有修改該指針指向內存中內容的操作，只能通過本指針完成。不能通過除本指針以外的其他變量或指針修改。
函數一參數2：互斥屬性。是一個傳入參數，通常傳NULL，選用默認屬性(線程間共享).

靜態初始化：如果互斥鎖mutex是靜態分配的(定義在全局，或加了static關鍵字修飾），可以直接使用宏進行初始化。pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
動態初始化：局部變量應采用動態初始化, pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

分析：

函數1：沒有被上鎖，當前線程會將這把鎖鎖上；被鎖上了，當前線程阻塞，鎖被打開之后，線程解除阻塞（加鎖。可理解為將mutex--（或-1））。
函數2：同時將阻塞在該鎖上的所有線程全部喚醒解鎖(可理解為將mtex++（或+1)).

2. 測試代碼：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>void *tfn(void *arg)
{srand(time(NULL));while(1) {printf("hello ");sleep(rand() % 3); //模擬長時間操作共享資源，導致cpu易主，產生與時間有關的錯誤printf("word\n");sleep(rand() % 3);}return NULL;
}int main()
{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);}return 0;
}

輸出結果：

??3. 測試代碼：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>void *tfn(void *arg)
{srand(time(NULL));while(1) {printf("hello ");sleep(rand() % 3); //模擬長時間操作共享資源，導致cpu易主，產生與時間有關的錯誤printf("word\n");sleep(rand() % 3);}return NULL;
}int main()
{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);}return 0;
}

輸出結果

二、條件變量

條件變量本身不是鎖，但它也可以造成線程阻塞，通常與互斥鎖配合使用，給多線程提供一個會合的場所。

1. 函數原型：

pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t * attr);  //初始化一個條件變量
pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);     // 銷毀一個條件變量   pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);    // 喚醒至少一個阻塞在條件變量上的線程
pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond); // 喚醒全部阻塞在條件變量上的線程

2. 函數原型：

pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);

分析：

函數作用：阻塞等待一個條件變量

阻塞等待條件變量cond(參數1)滿足
釋放已掌握的互斥鎖(解鎖互斥量)，相當于pthread_mutex_unlock(&mutex); {1、2兩步為一個原子操作}
當被喚醒，pthread_cond_wait函數返回，解除阻塞并重新獲取互斥鎖pthread_mutex_lock(&mutex);

3. 函數原型：

? ??函數作用：限時等待一個條件變量

pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex,  const struct timespec *restrict abstime);

參數3：

struct timespec 
{time_t tv_sec;  seconds 秒 long tv_nsec;    nanoseconds 納秒
}

$你$ 形參：abstime：絕對時間

如：time(NULL)返回的就是絕對時間。而alarm(1)是相對時間，相當當前時間定時1秒鐘。

struct timespec t = {1,??0};

pthread_cond_time(&cond, &mutex, &t);只能定時到1970年1月1日00:00:01秒（早已經過去）

正確用法：

time_t cur = time(NULL);   獲取當前時間
struct timespec t;         定義timespec結構體變量
t.tv_sec = cur + 1;        定時一秒
pthread_cond_timewait(&cond, mutex, &t) 傳參

4. 函數原型：

pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);    // 喚醒至少一個阻塞在條件變量上的線程
pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond); // 喚醒全部阻塞在條件變量上的線程

三、生產者消費者條件變量模型

線程同步典型的案例即為生產者消費者模型，而借助條件變量來實現這一案例，是比較常見的方法，假定有兩個線程，一個模擬生產者行為，一個模擬消費者行為，兩個線程同時操作一個共享資源(一般稱之為匯聚)，生產者向其中添加產品，消費者從中消費掉產品。

1. 測試代碼：

#include <pthread.h> 
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>struct msg
{struct msg *next;int num;
};struct msg *head;
struct msg *mp;pthread_cond_t has_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER;  //靜態初始化：一個條件變量和一個互斥量 
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;void *consumer(void *p)
{for (; ;){pthread_mutex_lock(&lock);while (head == NULL)                           //頭指針為空，說明沒有節點 可以為if嗎 pthread_cond_wait(&has_product, &lock);mp = head;head = mp->next;                               //模擬消費掉一個產品pthread_mutex_unlock(&lock);printf("-consume-----%d\n", mp->num);free(mp);sleep(rand() % 5);}
}void *producer(void *p)
{for (; ;) {mp = malloc(sizeof(struct msg));mp->num = rand() % 1000 + 1;                  //模擬生產一個產品printf("-Produce----%d\n", mp->num);pthread_mutex_lock(&lock);mp->next = head;head = mp;pthread_mutex_unlock(&lock);pthread_cond_signal(&has_product);          //將等待在該條件變量上的一個線程喚醒sleep(rand() % 5);}
}int main()
{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;
}

輸出結果：

?【注意】：為什么用while循環而不用if呢？

一個生產者可能對應著多個消費者，生產者向隊列中插入一條數據之后發出signal，然后各個消費者線pthread_cond_wait獲取mutex后返回，當然，這里只有一個線程獲取到了mutex，然后進行處理，其它線程會pending在這里，處理線程處理完畢之后釋放mutex，剛才等待的線程中有一個獲取mutex，如果這里用if，就會在當前隊列為空的狀態下繼續往下處理，這顯然是不合理的。

五、參考資料

1?深入解析條件變量(condition variables)
?

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