概述
linux线程与进程同步锁机制
同步概念
所谓同步，即同时起步，协调一致。
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。
“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：
- 资源共享（独享资源则不会）
- 调度随机（意味着数据访问会出现竞争）
- 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
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;
2.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。
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
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：
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);
读写锁示例 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=%dn", 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: %dn", 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;
}
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);
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。
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 ---%dn", 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 ---%dn", 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
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
t.tv_nsec = t.tv_sec +100;
sem_timedwait(&sem, &t); 传参
生产者消费者信号量
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。
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
#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++
%dn", 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
%dn", 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;
}
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：1000
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 filenamen"); 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 flockn");
sleep(10);
f_lock.l_type = F_UNLCK;
fcntl(fd, F_SETLKW, &f_lock);
printf("un flockn");
close(fd);
return 0;
}
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。
【注意】：
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。
最后
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