linux系统编程--线程同步

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。

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。

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。

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。

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

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;
动态初始化：局部变量应采用动态初始化。e.g. pthread_mutex_init(&mutex, NULL)

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）

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_unlock函数

解锁。可理解为将mutex ++（或+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);

加锁与解锁

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--。 unlock将mutex++

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 () {

        printf("hello ");

        sleep(rand() % );    /*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() % );

    }

    return NULL;

}

int main(void)

{

    pthread_t tid;

    srand(time(NULL));

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

    while () {

        printf("HELLO ");

        sleep(rand() % );

        printf("WORLD\n");

        sleep(rand() % );

    }

    pthread_join(tid, NULL);

    return ;

}

【pthrd_shared.c】

【练习】：修改该程序，使用mutex互斥锁进行同步。

定义全局互斥量，初始化init(&m, NULL)互斥量，添加对应的destry
两个线程while中，两次printf前后，分别加lock和unlock
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。

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。
main 中加pthread_cancel()将子线程取消。【pthrd_mutex.c】

#include <stdio.h>

#include <string.h>

#include <pthread.h>

#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>

pthread_mutex_t m;

void err_thread(int ret, char *str)

{

    if (ret != ) {

        fprintf(stderr, "%s:%s\n", str, strerror(ret));

        pthread_exit(NULL);

    }

}

void *tfn(void *arg)

{

    srand(time(NULL));

    while () {

        pthread_mutex_lock(&m);     // m--

        printf("hello ");

        sleep(rand() % );    /*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");

        pthread_mutex_unlock(&m);   // m++

        sleep(rand() % );

    }

    return NULL;

}

int main(void)

{

    pthread_t tid;

    srand(time(NULL));

    int flag  = ;

    pthread_mutex_init(&m, NULL);        //

    int ret = pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);

    err_thread(ret, "pthread_create error");

    while (flag--) {

        pthread_mutex_lock(&m);     // m--

        printf("HELLO ");

        sleep(rand() % );

        printf("WORLD\n");

        pthread_mutex_unlock(&m);     // m--

        sleep(rand() % );

    }

    pthread_cancel(tid);

    pthread_join(tid, NULL);

    pthread_mutex_destroy(&m);

    return ;

}

/*线程之间共享资源stdout*/

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。

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。

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。

读写锁状态：

一把读写锁具备三种状态：

1. 读模式下加锁状态 (读锁)

2. 写模式下加锁状态 (写锁)

3. 不加锁状态

读写锁特性：

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。
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。
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);

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 () {

        pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);

        t = counter;

        usleep();

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

        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

        usleep();

    }

    return NULL;

}

void *th_read(void *arg)

{

    int i = (int)arg;

    while () {

        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);

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

        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

        usleep();

    }

    return NULL;

}

int main(void)

{

    int i;

    pthread_t tid[];

    pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);

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

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

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

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

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

        pthread_join(tid[i], NULL);

    pthread_rwlock_destroy(&rwlock);

    return ;

}

【rwlock.c】

条件变量：

条件本身不是锁！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：

阻塞等待条件变量cond（参1）满足
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。

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：

                   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};

sem_timedwait(&sem, &t); 这样只能定时到 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, &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);

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() % );

    }

}

void *producer(void *p)

{

    struct msg *mp;

    while () {

        mp = malloc(sizeof(struct msg));

        mp->num = rand() %  + ;        //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() % );

    }

}

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 ;

}

【conditionVar_product_consumer.c】

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

int sem_destroy(sem_t *sem);

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

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。【sem_product_consumer.c】

/*信号量实现 生产者 消费者问题*/

#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>

#include <pthread.h>

#include <stdio.h>

#include <semaphore.h>

#define NUM 5               

int queue[NUM];                                     //全局数组实现环形队列

sem_t blank_number, product_number;                 //空格子信号量, 产品信号量

void *producer(void *arg)

{

    int i = ;

    while () {

        sem_wait(&blank_number);                    //生产者将空格子数--,为0则阻塞等待

        queue[i] = rand() %  + ;               //生产一个产品

        printf("----Produce---%d\n", queue[i]);

        sem_post(&product_number);                  //将产品数++

        i = (i+) % NUM;                            //借助下标实现环形

        sleep(rand()%);

    }

}

void *consumer(void *arg)

{

    int i = ;

    while () {

        sem_wait(&product_number);                  //消费者将产品数--,为0则阻塞等待

        printf("-Consume---%d       %lu\n", queue[i], pthread_self());

        queue[i] = ;                               //消费一个产品

        sem_post(&blank_number);                    //消费掉以后,将空格子数++

        i = (i+) % NUM;

        sleep(rand()%);

    }

}

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

{

    pthread_t pid, cid;

    sem_init(&blank_number, , NUM);                //初始化空格子信号量为5

    sem_init(&product_number, , );                //产品数为0

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

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

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

    pthread_join(pid, NULL);

    pthread_join(cid, NULL);

    sem_destroy(&blank_number);

    sem_destroy(&product_number);

    return ;

}

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+1

T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。

进程间同步

互斥量mutex

进程间也可以使用互斥锁，来达到同步的目的。但应在pthread_mutex_init初始化之前，修改其属性为进程间共享。mutex的属性修改函数主要有以下几个。

主要应用函数：

pthread_mutexattr_t mattr 类型：用于定义mutex锁的【属性】

pthread_mutexattr_init函数：初始化一个mutex属性对象

int pthread_mutexattr_init(pthread_mutexattr_t *attr);

pthread_mutexattr_destroy函数：销毁mutex属性对象 (而非销毁锁)

int pthread_mutexattr_destroy(pthread_mutexattr_t *attr);

pthread_mutexattr_setpshared函数：修改mutex属性。

int pthread_mutexattr_setpshared(pthread_mutexattr_t *attr, int pshared);

参2：pshared取值：

线程锁：PTHREAD_PROCESS_PRIVATE (mutex的默认属性即为线程锁，进程间私有)

进程锁：PTHREAD_PROCESS_SHARED

进程间mutex示例

进程间使用mutex来实现同步：

#include <fcntl.h>

#include <pthread.h>

#include <sys/mman.h>

#include <sys/wait.h>

struct mt {

int num;

pthread_mutex_t mutex;

pthread_mutexattr_t mutexattr;

};

int main(void)

{

int fd, i;

struct mt *mm;

pid_t pid;

fd = open("mt_test", O_CREAT | O_RDWR, 0777);

ftruncate(fd, sizeof(*mm));

mm = mmap(NULL, sizeof(*mm), PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);

close(fd);

unlink("mt_test");

//mm = mmap(NULL, sizeof(*mm), PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANON, -1, 0);

memset(mm, 0, sizeof(*mm));

pthread_mutexattr_init(&mm->mutexattr); //初始化mutex属性对象

pthread_mutexattr_setpshared(&mm->mutexattr, PTHREAD_PROCESS_SHARED); //修改属性为进程间共享

pthread_mutex_init(&mm->mutex, &mm->mutexattr); //初始化一把mutex琐

pid = fork();

if (pid == 0) {

for (i = 0; i < 10; i++) {

pthread_mutex_lock(&mm->mutex);

(mm->num)++;

printf("-child----num++ %d\n", mm->num);

pthread_mutex_unlock(&mm->mutex);

sleep(1);

}

} else if (pid > 0) {

for ( i = 0; i < 10; i++) {

sleep(1);

pthread_mutex_lock(&mm->mutex);

mm->num += 2;

printf("-parent---num+=2 %d\n", mm->num);

pthread_mutex_unlock(&mm->mutex);

}

wait(NULL);

}

pthread_mutexattr_destroy(&mm->mutexattr); //销毁mutex属性对象

pthread_mutex_destroy(&mm->mutex); //销毁mutex

munmap(mm,sizeof(*mm)); //释放映射区

return 0;

} 【process_mutex.c】

文件锁

借助 fcntl函数来实现锁机制。操作文件的进程没有获得锁时，可以打开，但无法执行read、write操作。

fcntl函数：获取、设置文件访问控制属性。

int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

参2：

F_SETLK (struct flock *) 设置文件锁（trylock）

F_SETLKW (struct flock *) 设置文件锁（lock）W --> wait

F_GETLK (struct flock *) 获取文件锁

参3：

struct flock {

...

short l_type; 锁的类型：F_RDLCK 、F_WRLCK 、F_UNLCK

short l_whence; 偏移位置：SEEK_SET、SEEK_CUR、SEEK_END

off_t l_start; 起始偏移：

off_t l_len; 长度：0表示整个文件加锁

pid_t l_pid; 持有该锁的进程ID：(F_GETLK only)

...

};

进程间文件锁示例

多个进程对加锁文件进行访问：

#include <stdio.h>

#include <fcntl.h>

#include <unistd.h>

void sys_err(char *str)

{

perror(str); exit(1);

}

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

{

int fd;

struct flock f_lock;

if (argc < 2) {

printf("./a.out filename\n"); exit(1);

}

if ((fd = open(argv[1], O_RDWR)) < 0)

sys_err("open");

//f_lock.l_type = F_WRLCK; /*选用写琐*/

f_lock.l_type = F_RDLCK; /*选用读琐*/

f_lock.l_whence = SEEK_SET;

f_lock.l_start = 0;

f_lock.l_len = 0; /* 0表示整个文件加锁 */

fcntl(fd, F_SETLKW, &f_lock);

printf("get flock\n");

sleep(10);

f_lock.l_type = F_UNLCK;

fcntl(fd, F_SETLKW, &f_lock);

printf("un flock\n");

close(fd); return 0;

} 【file_lock.c】

依然遵循“读共享、写独占”特性。但！如若进程不加锁直接操作文件，依然可访问成功，但数据势必会出现混乱。

【思考】：多线程中，可以使用文件锁吗？

多线程间共享文件描述符，而给文件加锁，是通过修改文件描述符所指向的文件结构体中的成员变量来实现的。因此，多线程中无法使用文件锁。

哲学家用餐模型分析

多线程版：

选用互斥锁mutex，如创建5个， pthread_mutex_t m[5];

模型抽象：

5个哲学家 --> 5个线程； 5支筷子 --> 5把互斥锁 int left(左手)， right(右手)

5个哲学家使用相同的逻辑，可通用一个线程主函数，void *tfn(void *arg)，使用参数来表示线程编号：int i = (int)arg;

哲学家线程根据编号知道自己是第几个哲学家，而后选定锁，锁住，吃饭。否则哲学家thinking。

A B C D E

5支筷子，在逻辑上形成环： 0 1 2 3 4 分别对应5个哲学家：

所以有：

if(i == 4)

left = i, right = 0;

else

left = i, right = i+1;

振荡：如果每个人都攥着自己左手的锁，尝试去拿右手锁，拿不到则将锁释放。过会儿五个人又同时再攥着左手锁尝试拿右手锁，依然拿不到。如此往复形成另外一种极端死锁的现象——振荡。

避免振荡现象：只需5个人中，任意一个人，拿锁的方向与其他人相逆即可(如：E，原来：左：4，右：0 现在：左：0，右：4)。

所以以上if else语句应改为：

if(i == 4)

left = 0, right = i;

else

left = i, right = i+1;

而后，首先应让哲学家尝试加左手锁：

while {

pthread_mutex_lock(&m[left]); 如果加锁成功，函数返回再加右手锁，

如果失败，应立即释放左手锁，等待。

若，左右手都加锁成功 --> 吃 --> 吃完 --> 释放锁（应先释放右手、再释放左手，是加锁顺序的逆序）

}

主线程(main)中，初始化5把锁，销毁5把锁，创建5个线程（并将i传递给线程主函数），回收5个线程。

避免死锁的方法：

1. 当得不到所有所需资源时，放弃已经获得的资源，等待。

2. 保证资源的获取顺序，要求每个线程获取资源的顺序一致。如：A获取顺序1、2、3；B顺序应也是1、2、3。若B为3、2、1则易出现死锁现象。

多进程版

相较于多线程需注意问题：

需注意如何共享信号量 (注意：坚决不能使用全局变量 sem_t s[5])

实现：

main函数中：

循环 sem_init(&s[i], 0, 1); 将信号量初值设为1，信号量变为互斥锁。

循环 sem_destroy(&s[i]);

循环创建 5 个子进程。 if(i < 5) 中完成子进程的代码逻辑。

循环回收 5 个子进程。

子进程中：

if(i == 4)

left = 0, right == 4;

else

left = i, right = i+1;

while (1) {

使用 sem_wait(&s[left]) 锁左手，尝试锁右手，若成功 --> 吃；若不成功 --> 将左手锁释放。

吃完后，先释放右手锁，再释放左手锁。

}

【重点注意】：

直接将sem_t s[5]放在全局位置，试图用于子进程间共享是错误的！应将其定义放置与mmap共享映射区中。main中：

sem_t *s = mmap(NULL, sizeof(sem_t) * 5, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANON， -1， 0);

使用方式：将s当成数组首地址看待，与使用数组s[5]没有差异。