互斥鎖、條件變量、讀寫鎖、自旋鎖及信號量介紹

一、互斥鎖（同步）

在多任務(wù)操作系統(tǒng)中，同時運行的多個任務(wù)可能都需要使用同一種資源。這個過程有點類似于，公司部門里，我在使用著打印機(jī)打印東西的同時（還沒有打印完），別人剛好也在此刻使用打印機(jī)打印東西，如果不做任何處理的話，打印出來的東西肯定是錯亂的。

在線程里也有這么一把鎖——互斥鎖（mutex），互斥鎖是一種簡單的加鎖的方法來控制對共享資源的訪問，互斥鎖只有兩種狀態(tài),即上鎖( lock )和解鎖( unlock )。

【互斥鎖的特點】：

1. 原子性：把一個互斥量鎖定為一個原子操作，這意味著操作系統(tǒng)（或pthread函數(shù)庫）保證了如果一個線程鎖定了一個互斥量，沒有其他線程在同一時間可以成功鎖定這個互斥量；
2. 唯一性：如果一個線程鎖定了一個互斥量，在它解除鎖定之前，沒有其他線程可以鎖定這個互斥量；
3. 非繁忙等待：如果一個線程已經(jīng)鎖定了一個互斥量，第二個線程又試圖去鎖定這個互斥量，則第二個線程將被掛起（不占用任何cpu資源），直到第一個線程解除對這個互斥量的鎖定為止，第二個線程則被喚醒并繼續(xù)執(zhí)行，同時鎖定這個互斥量。

【互斥鎖的操作流程如下】：

1. 在訪問共享資源后臨界區(qū)域前，對互斥鎖進(jìn)行加鎖；
2. 在訪問完成后釋放互斥鎖導(dǎo)上的鎖。在訪問完成后釋放互斥鎖導(dǎo)上的鎖；
3. 對互斥鎖進(jìn)行加鎖后，任何其他試圖再次對互斥鎖加鎖的線程將會被阻塞，直到鎖被釋放。對互斥鎖進(jìn)行加鎖后，任何其他試圖再次對互斥鎖加鎖的線程將會被阻塞，直到鎖被釋放。

#include < pthread.h >
#include < time.h >
// 初始化一個互斥鎖。
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, 
						const pthread_mutexattr_t *attr);
// 對互斥鎖上鎖，若互斥鎖已經(jīng)上鎖，則調(diào)用者一直阻塞，
// 直到互斥鎖解鎖后再上鎖。
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
// 調(diào)用該函數(shù)時，若互斥鎖未加鎖，則上鎖，返回 0；
// 若互斥鎖已加鎖，則函數(shù)直接返回失敗，即 EBUSY。
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
// 當(dāng)線程試圖獲取一個已加鎖的互斥量時，pthread_mutex_timedlock 互斥量
// 原語允許綁定線程阻塞時間。即非阻塞加鎖互斥量。
int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t *restrict mutex,
const struct timespec *restrict abs_timeout);
// 對指定的互斥鎖解鎖。
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
// 銷毀指定的一個互斥鎖?；コ怄i在使用完畢后，
// 必須要對互斥鎖進(jìn)行銷毀，以釋放資源。
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

【Demo】（阻塞模式）：

//使用互斥量解決多線程搶占資源的問題
#include < stdio.h >
#include < stdlib.h >
#include < unistd.h >
#include < pthread.h >
#include < string.h >

char* buf[5]; //字符指針數(shù)組  全局變量
int pos; //用于指定上面數(shù)組的下標(biāo)

//1.定義互斥量
pthread_mutex_t mutex;

void *task(void *p)
{
    //3.使用互斥量進(jìn)行加鎖
    pthread_mutex_lock(&mutex);

    buf[pos] = (char *)p;
    sleep(1);
    pos++;

    //4.使用互斥量進(jìn)行解鎖
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
}

int main(void)
{
    //2.初始化互斥量, 默認(rèn)屬性
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    //1.啟動一個線程 向數(shù)組中存儲內(nèi)容
    pthread_t tid, tid2;
    pthread_create(&tid, NULL, task, (void *)"zhangfei");
    pthread_create(&tid2, NULL, task, (void *)"guanyu");
    //2.主線程進(jìn)程等待,并且打印最終的結(jié)果
    pthread_join(tid, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);

    //5.銷毀互斥量
    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    int i = 0;
    printf("字符指針數(shù)組中的內(nèi)容是：");
    for(i = 0; i < pos; ++i)
    {
        printf("%s ", buf[i]);
    }
    printf("n");
    return 0;
}

【Demo】（非阻塞模式）：

#include < stdio.h >
#include < pthread.h >
#include < time.h >
#include < string.h >

int main (void)
{
    int err;
    struct timespec tout;
    struct tm *tmp;
    char buf[64];
    pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

    pthread_mutex_lock (&lock);
    printf ("mutex is lockedn");
    clock_gettime (CLOCK_REALTIME, &tout);
    tmp = localtime (&tout.tv_sec); 
    strftime (buf, sizeof (buf), "%r", tmp);
    printf ("current time is %sn", buf);
    tout.tv_sec += 10;
    err = pthread_mutex_timedlock (&lock, &tout);
    clock_gettime (CLOCK_REALTIME, &tout);
    tmp = localtime (&tout.tv_sec);
    strftime (buf, sizeof (buf), "%r", tmp);
    printf ("the time is now %sn", buf);
    if (err == 0)
        printf ("mutex locked againn");
    else 
        printf ("can`t lock mutex again:%sn", strerror (err));
    return 0;
}

二、條件變量（同步）

與互斥鎖不同，條件變量是用來等待而不是用來上鎖的。條件變量用來自動阻塞一個線程，直 到某特殊情況發(fā)生為止。通常條件變量和互斥鎖同時使用。

條件變量使我們可以睡眠等待某種條件出現(xiàn)。條件變量是利用線程間共享的全局變量進(jìn)行同步 的一種機(jī)制，主要包括兩個動作：

一個線程等待"條件變量的條件成立"而掛起；

另一個線程使 “條件成立”（給出條件成立信號）。

【原理】：

條件的檢測是在互斥鎖的保護(hù)下進(jìn)行的。線程在改變條件狀態(tài)之前必須首先鎖住互斥量。如果一個條件為假，一個線程自動阻塞，并釋放等待狀態(tài)改變的互斥鎖。如果另一個線程改變了條件，它發(fā)信號給關(guān)聯(lián)的條件變量，喚醒一個或多個等待它的線程，重新獲得互斥鎖，重新評價條件。如果兩進(jìn)程共享可讀寫的內(nèi)存，條件變量 可以被用來實現(xiàn)這兩進(jìn)程間的線程同步。

【條件變量的操作流程如下】：

1. 初始化：init()或者pthread_cond_tcond=PTHREAD_COND_INITIALIER；屬性置為NULL；
2. 等待條件成立：pthread_wait，pthread_timewait.wait()釋放鎖,并阻塞等待條件變量為真 timewait()設(shè)置等待時間,仍未signal,返回ETIMEOUT(加鎖保證只有一個線程wait)；
3. 激活條件變量：pthread_cond_signal,pthread_cond_broadcast(激活所有等待線程)
4. 清除條件變量：destroy;無線程等待,否則返回EBUSY清除條件變量:destroy;無線程等待,否則返回EBUSY

#include < pthread.h >
// 初始化條件變量
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond,
						pthread_condattr_t *cond_attr);
// 阻塞等待
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex);
// 超時等待
int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex *mutex,
						const timespec *abstime);
// 解除所有線程的阻塞
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
// 至少喚醒一個等待該條件的線程
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
// 喚醒等待該條件的所有線程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

1、線程的條件變量實例1

Jack開著一輛出租車來到一個站點停車，看見沒人就走了。過段時間，Susan來到站點準(zhǔn)備乘車，但是沒有來，于是就等著。過了一會Mike開著車來到了這個站點，Sunsan就上了Mike的車走了。如圖所示：

#include < stdio.h >  
#include < stdlib.h >  
#include < unistd.h >  
#include < pthread.h >  

pthread_cond_t taxicond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;  
pthread_mutex_t taximutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;  

void *traveler_arrive(void *name)  
{  
    char *p = (char *)name;  

    printf ("Travelr: %s need a taxi now!n", p);  
    // 加鎖，把信號量加入隊列，釋放信號量
    pthread_mutex_lock(&taximutex);  
    pthread_cond_wait(&taxicond, &taximutex);  
    pthread_mutex_unlock(&taximutex);  
    printf ("traveler: %s now got a taxi!n", p);  
    pthread_exit(NULL);  
}  

void *taxi_arrive(void *name)  
{  
    char *p = (char *)name;  
    printf ("Taxi: %s arrives.n", p);
    // 給線程或者條件發(fā)信號，一定要在改變條件狀態(tài)后再給線程發(fā)信號
    pthread_cond_signal(&taxicond);  
    pthread_exit(NULL);  
}  

int main (int argc, char **argv)  
{  
    char *name;  
    pthread_t thread;  
    pthread_attr_t threadattr; // 線程屬性 
    pthread_attr_init(&threadattr);  // 線程屬性初始化

    // 創(chuàng)建三個線程
    name = "Jack";  
    pthread_create(&thread, &threadattr, taxi_arrive, (void *)name);  
    sleep(1);  
    name = "Susan";  
    pthread_create(&thread, &threadattr, traveler_arrive, (void *)name);  
    sleep(1);  
    name = "Mike";  
    pthread_create(&thread, &threadattr, taxi_arrive, (void *)name);  
    sleep(1);  

    return 0;  
}

2、線程的條件變量實例2

Jack開著一輛出租車來到一個站點停車，看見沒人就等著。過段時間，Susan來到站點準(zhǔn)備乘車看見了Jack的出租車，于是就上去了。過了一會Mike開著車來到了這個站點，看見沒人救等著。如圖所示：

#include < stdio.h >
#include < stdlib.h >
#include < unistd.h >
#include < pthread.h >

int travelercount = 0;
pthread_cond_t taxicond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t taximutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void *traveler_arrive(void *name)
{
    char *p = (char *)name;

    pthread_mutex_lock(&taximutex);

    printf ("traveler: %s need a taxi now!n", p);
    travelercount++;
    pthread_cond_wait(&taxicond, &taximutex);

    pthread_mutex_unlock(&taximutex);
    printf ("traveler: %s now got a taxi!n", p);
    pthread_exit(NULL);
}

void *taxi_arrive(void *name)
{
    char *p = (char *)name;
    printf ("Taxi: %s arrives.n", p);
    for(;;)
    {
        if(travelercount)
        {
            pthread_cond_signal(&taxicond);
            travelercount--;
            break;
        }
    }
    pthread_exit(NULL);
}

int main (int argc, char **argv)
{
    char *name;
    pthread_t thread;
    pthread_attr_t threadattr;
    pthread_attr_init(&threadattr);

    name = "Jack";
    pthread_create(&thread, &threadattr, taxi_arrive, name);
    sleep(1);
    name = "Susan";
    pthread_create(&thread, &threadattr, traveler_arrive, name);
    sleep(3);
    name = "Mike";
    pthread_create(&thread, &threadattr, taxi_arrive, name);
    sleep(4);

    return 0;
}

3、虛假喚醒(spurious wakeup)

虛假喚醒(spurious wakeup)在采用條件等待時：

while(條件不滿足)
{  
   condition_wait(cond, mutex);  
}  
// 而不是:  
If( 條件不滿足 )
{  
   Condition_wait(cond,mutex);  
}

這是因為可能會存在虛假喚醒”spurious wakeup”的情況。

也就是說，即使沒有線程調(diào)用condition_signal, 原先調(diào)用condition_wait的函數(shù)也可能會返回。此時線程被喚醒了，但是條件并不滿足，這個時候如果不對條件進(jìn)行檢查而往下執(zhí)行，就可能會導(dǎo)致后續(xù)的處理出現(xiàn)錯誤。

虛假喚醒在linux的多處理器系統(tǒng)中/在程序接收到信號時可能回發(fā)生。在Windows系統(tǒng)和JAVA虛擬機(jī)上也存在。在系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)該可以避免虛假喚醒，但是這會影響條件變量的執(zhí)行效率，而既然通過while循環(huán)就能避免虛假喚醒造成的錯誤，因此程序的邏輯就變成了while循環(huán)的情況。

四、讀寫鎖（同步）

讀寫鎖與互斥量類似，不過讀寫鎖允許更改的并行性，也叫共享互斥鎖。互斥量要么是鎖住狀態(tài)，要么就是不加鎖狀態(tài)，而且一次只有一個線程可以對其加鎖。讀寫鎖可以有3種狀態(tài)：讀模式下加鎖狀態(tài)、寫模式加鎖狀態(tài)、不加鎖狀態(tài)。

一次只有一個線程可以占有寫模式的讀寫鎖，但是多個線程可以同時占有讀模式的讀寫鎖（允許多個線程讀但只允許一個線程寫）。

【讀寫鎖的特點】：

如果有其它線程讀數(shù)據(jù)，則允許其它線程執(zhí)行讀操作，但不允許寫操作；

如果有其它線程寫數(shù)據(jù)，則其它線程都不允許讀、寫操作。

【讀寫鎖的規(guī)則】：

如果某線程申請了讀鎖，其它線程可以再申請讀鎖，但不能申請寫鎖；

如果某線程申請了寫鎖，其它線程不能申請讀鎖，也不能申請寫鎖。

讀寫鎖適合于對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的讀次數(shù)比寫次數(shù)多得多的情況。

#include < pthread.h >
// 初始化讀寫鎖
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *rwlock, 
						const pthread_rwlockattr_t *attr); 
// 申請讀鎖
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock ); 
// 申請寫鎖
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock ); 
// 嘗試以非阻塞的方式來在讀寫鎖上獲取寫鎖，
// 如果有任何的讀者或?qū)懻叱钟性撴i，則立即失敗返回。
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock); 
// 解鎖
int pthread_rwlock_unlock (pthread_rwlock_t *rwlock); 
// 銷毀讀寫鎖
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

【Demo】：

// 一個使用讀寫鎖來實現(xiàn) 4 個線程讀寫一段數(shù)據(jù)是實例。
// 在此示例程序中，共創(chuàng)建了 4 個線程，
// 其中兩個線程用來寫入數(shù)據(jù)，兩個線程用來讀取數(shù)據(jù)
#include < stdio.h >  
#include < unistd.h >  
#include < pthread.h >  
pthread_rwlock_t rwlock; //讀寫鎖  
int num = 1;  

//讀操作，其他線程允許讀操作，卻不允許寫操作  
void *fun1(void *arg)  
{  
    while(1)  
    {  
        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
        printf("read num first == %dn", num);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        sleep(1);
    }
}

//讀操作，其他線程允許讀操作，卻不允許寫操作  
void *fun2(void *arg)
{
    while(1)
    {
        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
        printf("read num second == %dn", num);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        sleep(2);
    }
}

//寫操作，其它線程都不允許讀或?qū)懖僮? 
void *fun3(void *arg)
{
    while(1)
    {
        pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
        num++;
        printf("write thread firstn");
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        sleep(2);
    }
}

//寫操作，其它線程都不允許讀或?qū)懖僮? 
void *fun4(void *arg)
{
    while(1)
    {  
        pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);  
        num++;  
        printf("write thread secondn");  
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);  
        sleep(1);  
    }  
}  

int main()  
{  
    pthread_t ptd1, ptd2, ptd3, ptd4;  

    pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);//初始化一個讀寫鎖  

    //創(chuàng)建線程  
    pthread_create(&ptd1, NULL, fun1, NULL);  
    pthread_create(&ptd2, NULL, fun2, NULL);  
    pthread_create(&ptd3, NULL, fun3, NULL);  
    pthread_create(&ptd4, NULL, fun4, NULL);  

    //等待線程結(jié)束，回收其資源  
    pthread_join(ptd1, NULL);  
    pthread_join(ptd2, NULL);  
    pthread_join(ptd3, NULL);  
    pthread_join(ptd4, NULL);  

    pthread_rwlock_destroy(&rwlock);//銷毀讀寫鎖  

    return 0;  
}

五、自旋鎖（同步）

自旋鎖與互斥量功能一樣，唯一一點不同的就是互斥量阻塞后休眠讓出cpu，而自旋鎖阻塞后不會讓出cpu，會一直忙等待，直到得到鎖。

自旋鎖在用戶態(tài)使用的比較少，在內(nèi)核使用的比較多！自旋鎖的使用場景：鎖的持有時間比較短，或者說小于2次上下文切換的時間。

自旋鎖在用戶態(tài)的函數(shù)接口和互斥量一樣，把pthread_mutex_xxx()中mutex換成spin，如：pthread_spin_init()。

六、信號量（同步與互斥）

信號量廣泛用于進(jìn)程或線程間的同步和互斥，信號量本質(zhì)上是一個非負(fù)的整數(shù)計數(shù)器，它被用來控制對公共資源的訪問。

編程時可根據(jù)操作信號量值的結(jié)果判斷是否對公共資源具有訪問的權(quán)限，當(dāng)信號量值大于 0 時，則可以訪問，否則將阻塞。PV 原語是對信號量的操作，一次 P 操作使信號量減１，一次 V 操作使信號量加１。

#include < semaphore.h >
// 初始化信號量
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
// 信號量 P 操作（減 1）
int sem_wait(sem_t *sem);
// 以非阻塞的方式來對信號量進(jìn)行減 1 操作
int sem_trywait(sem_t *sem);
// 信號量 V 操作（加 1）
int sem_post(sem_t *sem);
// 獲取信號量的值
int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);
// 銷毀信號量
int sem_destroy(sem_t *sem);

【信號量用于同步】：

// 信號量用于同步實例
#include < stdio.h >
#include < unistd.h >
#include < pthread.h >
#include < semaphore.h >

sem_t sem_g,sem_p;   //定義兩個信號量
char ch = 'a';

void *pthread_g(void *arg)  //此線程改變字符ch的值
{
    while(1)
    {
        sem_wait(&sem_g);
        ch++;
        sleep(1);
        sem_post(&sem_p);
    }
}

void *pthread_p(void *arg)  //此線程打印ch的值
{
    while(1)
    {
        sem_wait(&sem_p);
        printf("%c",ch);
        fflush(stdout);
        sem_post(&sem_g);
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t tid1,tid2;
    sem_init(&sem_g, 0, 0); // 初始化信號量為0
    sem_init(&sem_p, 0, 1); // 初始化信號量為1

    // 創(chuàng)建兩個線程
    pthread_create(&tid1, NULL, pthread_g, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, pthread_p, NULL);

    // 回收線程
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);

    return 0;
}

【信號量用于互斥】：

// 信號量用于互斥實例
#include < stdio.h >
#include < pthread.h >
#include < unistd.h >
#include < semaphore.h >

sem_t sem; //信號量

void printer(char *str)
{
    sem_wait(&sem);//減一，p操作
    while(*str) // 輸出字符串（如果不用互斥，此處可能會被其他線程入侵）
    {
        putchar(*str);  
        fflush(stdout);
        str++;
        sleep(1);
    }
    printf("n");

    sem_post(&sem);//加一，v操作
}

void *thread_fun1(void *arg)
{
    char *str1 = "hello";
    printer(str1);
}

void *thread_fun2(void *arg)
{
    char *str2 = "world";
    printer(str2);
}

int main(void)
{
    pthread_t tid1, tid2;

    sem_init(&sem, 0, 1); //初始化信號量，初始值為 1

    //創(chuàng)建 2 個線程
    pthread_create(&tid1, NULL, thread_fun1, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, thread_fun2, NULL);

    //等待線程結(jié)束，回收其資源
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL); 

    sem_destroy(&sem); //銷毀信號量

    return 0;
}