Linux 线程同步

前言

上一期我们介绍了线程互斥，并通过加锁解决了多线程并发访问下的数据不一致问题！本期我们来介绍一下同步问题！

前言

一、线程同步

• 线程同步的引入

• 同步的概念

理解同步和饥饿问题

• 条件变量

理解条件变量

• 同步的相关操作

条件变量的创建与销毁

等待条件

唤醒线程

简单的同步测试用例

一、线程同步

• 线程同步的引入

上一期加锁之后的抢票Demo中，我们发现虽然不会出现多卖出票的情况了，但是我么发现一个线程可以连续抢到很多的票，搞得我们有些线程像是黄牛了~！

上面某个线程一直执行抢票动作，而抢票的过程是互斥的，也就是加了锁的！在它抢票期间，其他的线程是一直得阻塞等待的，如果那些阻塞等待的线程一直竞争不到锁，就会造成线程长时间无法被调度的饥饿问题！为了解决上述的黄牛式的抢票的问题，让其他的线程有机会被调度！我们就引入了线程的同步~！

• 同步的概念

在保证数据安全的前提下，让线程能够按照某种特定的顺序访问临界资源，从而有效避免饥饿问题的机制，叫做同步！

竞态条件：因为时序问题而导致程序出现异常

理解同步和饥饿问题

OK，我们直接上一个例子解释：

话接上回，张三早上6:00就欢快的抢到VIP自习室的钥匙，进去自习了！过了一会，来了好多想要进VIP自习室自习的人！但是由于张三没出来，他们没有钥匙就进不去！

他们都在等着张三出来归还钥匙，但是张三不急不慢的自习到中午的12:00，此时他有点饿了，想出去吃个饭，出去吃饭就意味着仔细结束，得把钥匙归还！张三刚到门口把钥匙挂到门上，回头一看这么多等待的人，张三一想，我这把钥匙挂上去，吃个饭回来，我就是这些等待的人中的一个，又不知道到得等到啥时候~！所以张三心一横，又把钥匙拿了下来，又进去学习了；刚进去没几分钟张三就饿得不行了，于是去把钥匙挂到门上，回头一看这么多的人就又拿下来，强撑着进去了！就这样张三反复进出，直到晚上的8 : 00 ,张三自己不仅没有吃上饭、没专心的学习，而且还导致其他人也无法进入自习室学习！

但是按照规定张三并没有错，且符合自习室只允许持有钥匙的一人进入的规则！只不过他的这种行为极其不合理(现实中估计家人不保)！因为张三这种不合理的行为，导致了自习室的资源浪费，其他同学没机会进VIP自习室自习，从而陷入了 饥饿状态！为此，管理员连夜修改了规则：

• 在外面等待的同学必须排队等待

• 所有自习完的同学在归还玩钥匙之后，不能立即申请，下次申请，需要排队

新规则出来以后，自习室的使用都是按照一定的顺序进行申请使用，再也没有了以前的饥饿问题！上述的旧规则时期每张三反复进出的，导致其他人长时间不能进入自习室，就是导致饥饿问题！新规则后多人按照一定顺序申请使用自习室，就是同步！

• 条件变量

原生的线程库 提供了 条件变量 来实现 线程同步

通过条件变量 -> 实现新线程同步 -> 解决了饥饿问题

• 条件变量：当一个线程互斥的访问某个变量时，他可能发现在其他线程改变状态之前，什么也做不了

比如当一个线程访问队列时，发现队列为空，它只能等待，直到其他线程往队列中添加数据，此时就可以考虑使用 条件变量

理解条件变量

现在有A和B两人协作的一个拿放苹果游戏：

规则是A得蒙着眼睛，B不能说话！B向盘子放苹果，A从盘子拿苹果；盘子任意时刻只能由一人使用，最终哪个组拿的最多就获胜，奖励一个iphone16；

有很多组参加，你（李四）和你的搭档张三，想得第一名，整个iphone玩一玩！于是就报名参加了结果上半场，由于你不知道盘子是否有苹果而频繁的申请盘子，检测盘子；导致了你的搭档张三根本就无法拿到盘子，更别说放苹果了！所以，上半场以0个苹果结束！

在中场休息的时间，你很仔细阅读了规则，发现没说不能使用工具，所以，你俩就整了个铃铛，张三给你说，李四啊，你如果拿到盘子没有苹果，你就把盘子还回去，不要再拿了，你就定定的等着，当我把苹果放到盘子了，就敲响一声铃铛，你就来拿，你拿完继续等着！果然下半场，利用这个机制，你们拿下了很多的苹果！

但是，下半场结束后，有一组和你们的苹果数一样的多，所以有增加了一场，但是这一场的规则稍有变化，就是给每一组增加一位拿苹果的人，看最后哪一组拿的多，就谁赢！

有了上半场的经验，你和张三以及新队友王五，一起提前开会，你们说好了，由于多了一个人，这次铃铛的规则也变了，当敲一声时一个人来拿，当敲两声时，都来拿（但实际只有一个人能拿到盘子，所以两人得竞争，得拼手速）！于是就开始了，但这次显然你们比对手准备的好，你们最后比他们拿的多！

上述的盘子就是临界资源，一次只能一个人那盘子就是互斥，铃铛就是条件变量！此时，当你的搭档不敲铃铛时，你啥也做不了，就在那等着！

条件变量的本质可以理解为衡量或指示访问资源状态的一种机制。

所以，条件变量内部必须实现两个东西：1、需要一个等待队列 2、需要一个通知机制！

• 同步的相关操作

条件变量的创建与销毁

条件变量和互斥锁都是原生线程库中的，他的接口风格和互斥锁极其相似，例如：

互斥量的类型: pthread_mutex_t 条件变量的类型: pthread_cond_t

定义全局的条件变量

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

注意：在全局创建条件变量时，初始化为 PTHREAD_COND_INITIALIZER，自动销毁！

定义局部的条件变量

#include <pthread.h>pthread_cond_t cond; // 定义一个条件变量
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,const pthread_condattr_t *restrict attr);

参数

restrict cond 表示要初始化的条条件变量

restrict attr 表示初始化时的相关属性，直接设置为nullptr即可

返回值

成功，返回0

失败，返回错误码

注意：这些接口的返回值都是一样的，后续不再介绍！

条件变量的销毁

#include <pthread.h>int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

参数

cond 表示要销毁的条件变量

等待条件

#include <pthread.h>int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex);

参数

cond ：表示要等待的条件变量

restrict mutex ：互斥锁，用于辅助的条件变量

为什么等待时需要一把互斥锁？

1、条件变量也是临界资源，也需要被保护

2、当条件不满足时，需要将线程挂起到特定的阻塞队列，但是其已持有锁资源，为了避免死锁，条件变量内部再把该线程挂起前，要对该锁资源进行释放，会用到它！

唤醒线程

当条件变量满足时，需要唤醒阻塞队列中等待该条件变量的线程，可以唤醒一个，也可以唤醒全部，这就是我们上述所说的通知机制！

#include <pthread.h>int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);//唤醒一个int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);//唤醒所有

第一个表示唤醒等待条件变量阻塞队列的队头的那一个线程，第二个时唤醒阻塞队列中所有线程！

注意：当全部唤醒之后，所有的线程也会先去竞争锁，如果持有锁了继续后续的操作，如果竞争失败了，去锁那里等待锁资源！

简单的同步测试用例

我们写一个小Demo，让num个线程都在进入临界区之后等待，主线程唤醒之后再去执行！

#include <iostream>
#include <string>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>const int num = 5;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;    // 创建一个全局的条件变量
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; // 创建一个全局的互斥量void *Wait(void *args)
{const char *name = static_cast<char *>(args);while (true){// 加锁pthread_mutex_lock(&mutex);// 让所有线程一进来就再cond的条件下等待pthread_cond_wait(&cond, &mutex);std::cout << name << ", 正在运行....." << std::endl;// 解锁pthread_mutex_unlock(&mutex);}return nullptr;
}int main()
{pthread_t tid[num];// 启动5个线程for(int i = 0; i < num; i++){char* name = new char[128];snprintf(name, 128, "thread_%d", i+1);pthread_create(tid+i, nullptr, Wait, (void*)name);//创建5个线程}sleep(3);//d等所有的线程起来// 主线程唤醒新线程while(true){std::cout << "Main wake up new thread: " << std::endl;pthread_cond_signal(&cond);// 唤醒一个}// 等待线程for(int i = 0; i < num; i++){pthread_join(*(tid+i), nullptr);}return 0;
}

OK，此时是主线程一次唤醒一个线程，我们看看效果：