本篇內(nèi)容主要講解“l(fā)inux實現(xiàn)線程同步的方式有哪些”,感興趣的朋友不妨來看看。本文介紹的方法操作簡單快捷,實用性強。下面就讓小編來帶大家學習“l(fā)inux實現(xiàn)線程同步的方式有哪些”吧!
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6種方式:1、互斥鎖,本質(zhì)就是一個特殊的全局變量,擁有l(wèi)ock和unlock兩種狀態(tài);2、自旋鎖,是一個死循環(huán),不停的輪詢;3、信號量,用于控制訪問有限共享資源的線程數(shù);4、條件變量,可以讓調(diào)用線程在滿足特定條件的情況下運行,不滿足條件時阻塞等待被喚醒;5、讀寫鎖,一次只能有一個線程可以占有寫模式的讀寫鎖;6、屏障,是用戶協(xié)調(diào)多個線程并行工作的同步機制。
本教程操作環(huán)境:linux7.3系統(tǒng)、Dell G3電腦。
下面是一個線程不安全的例子:
#include<stdio.h> #include<pthread.h> int ticket_num=10000000; void *sell_ticket(void *arg) { while(ticket_num>0) { ticket_num--; } } int main() { pthread_t t1,t2,t3; pthread_create(&t1, NULL, &sell_ticket, NULL); pthread_create(&t2, NULL, &sell_ticket, NULL); pthread_create(&t3, NULL, &sell_ticket, NULL); pthread_join(t1, NULL); pthread_join(t2, NULL); pthread_join(t3, NULL); printf("ticket_num=%d\n", ticket_num); return 0; }
運行結(jié)果如下:
# gcc no_lock_demo.c -o no_lock_demo.out -pthread # ./no_lock_demo.out ticket_num=-2
最后運行的結(jié)果不是固定的,有可能是0、-1,如果有這個ticket_num變量代表是庫存的話,那么就會出現(xiàn)庫存為負數(shù)的情況,所以需要引入線程同步來保證線程安全。
Linux下提供了多種方式來處理線程同步,最常用的是互斥鎖、自旋鎖、信號量。
互斥鎖本質(zhì)就是一個特殊的全局變量,擁有l(wèi)ock和unlock兩種狀態(tài),unlock的互斥鎖可以由某個線程獲得,當互斥鎖由某個線程持有后,這個互斥鎖會鎖上變成lock狀態(tài),此后只有該線程有權(quán)力打開該鎖,其他想要獲得該互斥鎖的線程都會阻塞,直到互斥鎖被解鎖。
互斥鎖的類型:
普通鎖(PTHREAD_MUTEX_NORMAL):互斥鎖默認類型。當一個線程對一個普通鎖加鎖以后,其余請求該鎖的線程將形成一個 等待隊列,并在該鎖解鎖后按照優(yōu)先級獲得它,這種鎖類型保證了資源分配的公平性。一個 線程如果對一個已經(jīng)加鎖的普通鎖再次加鎖,將引發(fā)死鎖;對一個已經(jīng)被其他線程加鎖的普 通鎖解鎖,或者對一個已經(jīng)解鎖的普通鎖再次解鎖,將導致不可預期的后果。
檢錯鎖(PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK):一個線程如果對一個已經(jīng)加鎖的檢錯鎖再次加鎖,則加鎖操作返回EDEADLK;對一個已 經(jīng)被其他線程加鎖的檢錯鎖解鎖或者對一個已經(jīng)解鎖的檢錯鎖再次解鎖,則解鎖操作返回 EPERM。
嵌套鎖(PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE):該鎖允許一個線程在釋放鎖之前多次對它加鎖而不發(fā)生死鎖;其他線程要獲得這個鎖,則當前鎖的擁有者必須執(zhí)行多次解鎖操作;對一個已經(jīng)被其他線程加鎖的嵌套鎖解鎖,或者對一個已經(jīng)解鎖的嵌套鎖再次解鎖,則解鎖操作返回EPERM。
默認鎖(PTHREAD_MUTEX_ DEFAULT):一個線程如果對一個已經(jīng)加鎖的默認鎖再次加鎖,或者雖一個已經(jīng)被其他線程加鎖的默 認鎖解鎖,或者對一個解鎖的默認鎖解鎖,將導致不可預期的后果;這種鎖實現(xiàn)的時候可能 被映射成上述三種鎖之一。
相關方法:
// 靜態(tài)方式創(chuàng)建互斥鎖 pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER? // 動態(tài)方式創(chuàng)建互斥鎖,其中參數(shù)mutexattr用于指定互斥鎖的類型,具體類型見上面四種,如果為NULL,就是普通鎖。 int pthread_mutex_init (pthread_mutex_t* mutex,const pthread_mutexattr_t* mutexattr); int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); // 加鎖,阻塞 int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex); // 嘗試加鎖,非阻塞 int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex); // 解鎖
例子:
#include<stdio.h> #include<pthread.h> int ticket_num=10000000; pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; void *sell_ticket(void *arg) { while(ticket_num>0) { pthread_mutex_lock(&mutex); if(ticket_num>0) { ticket_num--; } pthread_mutex_unlock(&mutex); } } int main() { pthread_t t1,t2,t3; pthread_create(&t1, NULL, &sell_ticket, NULL); pthread_create(&t2, NULL, &sell_ticket, NULL); pthread_create(&t3, NULL, &sell_ticket, NULL); pthread_join(t1, NULL); pthread_join(t2, NULL); pthread_join(t3, NULL); printf("ticket_num=%d\n", ticket_num); return 0; }
自旋鎖顧名思義就是一個死循環(huán),不停的輪詢,當一個線程未獲得自旋鎖時,不會像互斥鎖一樣進入阻塞休眠狀態(tài),而是不停的輪詢獲取鎖,如果自旋鎖能夠很快被釋放,那么性能就會很高,如果自旋鎖長時間不能夠被釋放,甚至里面還有大量的IO阻塞,就會導致其他獲取鎖的線程一直空輪詢,導致CPU使用率達到100%,特別CPU時間。
相關方法:
int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t *lock, int pshared)? // 創(chuàng)建自旋鎖 int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t *lock)? // 加鎖,阻塞 int pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t *lock)? // 嘗試加鎖,非阻塞 int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t *lock)? // 解鎖
例子:
#include<stdio.h> #include<pthread.h> int ticket_num=10000000; pthread_spinlock_t spinlock; void *sell_ticket(void *arg) { while(ticket_num>0) { pthread_spin_lock(&spinlock); if(ticket_num>0) { ticket_num--; } pthread_spin_unlock(&spinlock); } } int main() { pthread_spin_init(&spinlock, 0); pthread_t t1,t2,t3; pthread_create(&t1, NULL, &sell_ticket, NULL); pthread_create(&t2, NULL, &sell_ticket, NULL); pthread_create(&t3, NULL, &sell_ticket, NULL); pthread_join(t1, NULL); pthread_join(t2, NULL); pthread_join(t3, NULL); printf("ticket_num=%d\n", ticket_num); return 0; }
信號量是一個計數(shù)器,用于控制訪問有限共享資源的線程數(shù)。
相關方法:
// 創(chuàng)建信號量 // pshared:一般取0,表示調(diào)用進程的信號量。非0表示該信號量可以共享內(nèi)存的方式,為多個進程所共享(Linux暫不支持)。 // value:信號量的初始值,可以并發(fā)訪問的線程數(shù)。 int sem_init (sem_t* sem, int pshared, unsigned int value); int sem_wait (sem_t* sem); // 信號量減1,信號量為0時就會阻塞 int sem_trywait (sem_t* sem); // 信號量減1,信號量為0時返回-1,不阻塞 int sem_timedwait (sem_t* sem, const struct timespec* abs_timeout); // 信號量減1,信號量為0時阻塞,直到abs_timeout超時返回-1 int sem_post (sem_t* sem); // 信號量加1
例子:
#include<stdio.h> #include<pthread.h> #include <semaphore.h> int ticket_num=10000000; sem_t sem; void *sell_ticket(void *arg) { while(ticket_num>0) { sem_wait(&sem); if(ticket_num>0) { ticket_num--; } sem_post(&sem); } } int main() { sem_init(&sem, 0, 1); // value=1表示最多1個線程同時訪問共享資源,與互斥量等價 pthread_t t1,t2,t3; pthread_create(&t1, NULL, &sell_ticket, NULL); pthread_create(&t2, NULL, &sell_ticket, NULL); pthread_create(&t3, NULL, &sell_ticket, NULL); pthread_join(t1, NULL); pthread_join(t2, NULL); pthread_join(t3, NULL); printf("ticket_num=%d\n", ticket_num); return 0; }
條件變量可以讓調(diào)用線程在滿足特定條件的情況下運行,不滿足條件時阻塞等待被喚醒,必須與互斥鎖搭配使用。
條件變量常用于生產(chǎn)者與消費者模型。
相關方法:
pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER; // 創(chuàng)建條件變量,一個互斥鎖可以對應多個條件變量 int pthread_cond_wait (pthread_cond_t* cond,pthread_mutex_t* mutex); // 阻塞等待條件滿足,同時釋放互斥鎖mutex int pthread_cond_timedwait (pthread_cond_t* cond, pthread_mutex_t* mutex, const struct timespec* abstime); // 帶超時的阻塞等待條件滿足,同時釋放互斥鎖mutex // 從條件變量cond中喚出一個線程,令其重新獲得原先的互斥鎖 // 被喚出的線程此刻將從pthread_cond_wait函數(shù)中返回,但如果該線程無法獲得原先的鎖,則會繼續(xù)阻塞在加鎖上。 int pthread_cond_signal (pthread_cond_t* cond); // 從條件變量cond中喚出所有線程 int pthread_cond_broadcast (pthread_cond_t* cond);
例子:
#include<stdio.h> #include<pthread.h> int max_buffer=10; int count=0; pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; pthread_cond_t notempty=PTHREAD_COND_INITIALIZER; pthread_cond_t notfull=PTHREAD_COND_INITIALIZER; void *produce(void *args) { while(1) { pthread_mutex_lock(&mutex); while(count == max_buffer) { printf("buffer is full, wait...\n"); pthread_cond_wait(¬full, &mutex); } printf("produce ...\n"); count++; sleep(1); pthread_cond_signal(¬empty); pthread_mutex_unlock(&mutex); } } void *consumer(void *args) { while(1) { pthread_mutex_lock(&mutex); while(count == 0) { printf("buffer is empty, wait...\n"); pthread_cond_wait(¬empty, &mutex); } printf("consumer ...\n"); count--; sleep(1); pthread_cond_signal(¬full); pthread_mutex_unlock(&mutex); } } int main() { pthread_t t1,t2,t3,t4; pthread_create(&t1, NULL, &produce, NULL); pthread_create(&t2, NULL, &produce, NULL); pthread_create(&t3, NULL, &consumer, NULL); pthread_create(&t4, NULL, &consumer, NULL); pthread_join(t1, NULL); return 0; }
讀寫鎖可以有三種狀態(tài):讀模式下加鎖狀態(tài),寫模式下加鎖狀態(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。讀寫鎖也叫做共享-獨占鎖,當讀寫鎖以讀模式鎖住時,它是以共享模式鎖住的,當它以寫模式鎖住時,它是以獨占模式鎖住的,讀讀共享,讀寫互斥。
一次只能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戰(zhàn)友讀模式的讀寫鎖。因此與互斥量相比,讀寫鎖允許更高的并行性。讀寫鎖非常適合對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)讀的次數(shù)遠大于寫的情況。
相關方法:
// 創(chuàng)建讀寫鎖 pthread_rwlock_t rwlock=PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER; int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock)? // 加讀鎖,阻塞 int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock)? // 加寫鎖,阻塞 int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock)? // 釋放讀鎖或者寫鎖 int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock)? // 嘗試加讀鎖,非阻塞 int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock)? // 嘗試加寫鎖,非阻塞
例子:
#include <stdio.h> #include <pthread.h> pthread_rwlock_t rwlock=PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER; void *read(void *arg) { while(1) { pthread_rwlock_rdlock(&rwlock); rintf("read message.\n"); sleep(1); pthread_rwlock_unlock(&rwlock); sleep(1); } } void *write(void *arg) { while(1) { pthread_rwlock_wrlock(&rwlock); printf("write message.\n"); sleep(1); pthread_rwlock_unlock(&rwlock); sleep(1); } } int main(int argc,char *argv[]) { pthread_t t1,t2,t3; pthread_create(&t1, NULL, &read, NULL); pthread_create(&t2, NULL, &read, NULL); pthread_create(&t3, NULL, &write, NULL); pthread_join(t1, NULL); return 0; }
屏障(barrier)是用戶協(xié)調(diào)多個線程并行工作的同步機制。屏障允許每個線程等待,直到所有的合作線程都到達某一點,然后所有線程都從該點繼續(xù)執(zhí)行。pthread_join函數(shù)就是一種屏障,允許一個線程等待,直到另一個線程退出。但屏障對象的概念更廣,允許任意數(shù)量的線程等待,直到所有的線程完成處理工作,而線程不需要退出,當所有的線程達到屏障后可以接著工作。
相關方法:
// 創(chuàng)建屏障 int pthread_barrier_init(pthread_barrier_t *barrier,const pthread_barrrierattr_t *attr,unsigned int count) // 阻塞等待,直到所有線程都到達 int pthread_barrier_wait(pthread_barrier_t *barrier)
例子:
#include <stdio.h> #include <pthread.h> pthread_barrier_t barrier; void *go(void *arg){ sleep (rand () % 10); printf("%lu is arrived.\n", pthread_self()); pthread_barrier_wait(&barrier); printf("%lu go shopping...\n", pthread_self()); } int main() { pthread_barrier_init(&barrier, NULL, 3); pthread_t t1,t2,t3; pthread_create(&t1, NULL, &go, NULL); pthread_create(&t2, NULL, &go, NULL); pthread_create(&t3, NULL, &go, NULL); pthread_join(t1, NULL); return 0; }
到此,相信大家對“l(fā)inux實現(xiàn)線程同步的方式有哪些”有了更深的了解,不妨來實際操作一番吧!這里是創(chuàng)新互聯(lián)網(wǎng)站,更多相關內(nèi)容可以進入相關頻道進行查詢,關注我們,繼續(xù)學習!
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