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linux系统编程--线程同步

时间:2019-05-20 15:25:55      阅读:145      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

标签:print   semaphore   调用   优点   方法   成员   col   运行   lib   

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

  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。

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 (1) {

 

        printf("hello ");

        sleep(rand() % 3);    /*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() % 3);

    }

    return NULL;

}

int main(void)

{

    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);

    }

    pthread_join(tid, NULL);

    return 0;

}                                                                                                                                                                                          【pthrd_shared.c】

【练习】:修改该程序,使用mutex互斥锁进行同步。                                                                                     

  1. 定义全局互斥量,初始化init(&m, NULL)互斥量,添加对应的destry
  2. 两个线程while中,两次printf前后,分别加lock和unlock
  3. 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。

  1. 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。
  2. main 中加pthread_cancel()将子线程取消。                                                                                            【pthrd_mutex.c】

 

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: 

  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

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 (1) {

        pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);

        t = counter;

        usleep(1000);

        printf("=======write %d: %lu: counter=%d ++counter=%d\n", 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: %d\n", 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;

}                                                                                                                                                                                                   【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:

  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。

  1. 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() % 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 ---%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() % 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;

}                                                                                                                                                    【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】

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。

                                                                                                                                                                                

linux系统编程--线程同步

标签:print   semaphore   调用   优点   方法   成员   col   运行   lib   

原文地址:https://www.cnblogs.com/xiangtingshen/p/10894115.html

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