Linux系统编程（29）——线程间同步(续篇)

线程间的同步还有这样一种情况：线程A需要等某个条件成立才能继续往下执行，现在这个条件不成立，线程A就阻塞等待，而线程B在执行过程中使这个条件成立了，就唤醒线程A继续执行。在pthread库中通过条件变量（Condition Variable）来阻塞等待一个条件，或者唤醒等待这个条件的线程。Condition Variable用pthread_cond_t类型的变量表示，可以这样初始化和销毁：

#include <pthread.h>

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t*cond);

int pthread_cond_init(pthread_cond_t*restrict cond,

const pthread_condattr_t *restrict attr);

pthread_cond_t cond =PTHREAD_COND_INITIALIZER;

返回值：成功返回0，失败返回错误号。

和Mutex的初始化和销毁类似，pthread_cond_init函数初始化一个Condition Variable，attr参数为NULL则表示缺省属性，pthread_cond_destroy函数销毁一个Condition Variable。如果Condition Variable是静态分配的，也可以用宏定义PTHEAD_COND_INITIALIZER初始化，相当于用pthread_cond_init函数初始化并且attr参数为NULL。ConditionVariable的操作可以用下列函数：

#include <pthread.h>

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t*restrict cond,

pthread_mutex_t *restrict mutex,

const struct timespec *restrict abstime);

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t*restrict cond,

pthread_mutex_t *restrict mutex);

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t*cond);

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t*cond);

返回值：成功返回0，失败返回错误号。

可见，一个Condition Variable总是和一个Mutex搭配使用的。一个线程可以调用pthread_cond_wait在一个Condition Variable上阻塞等待，这个函数做以下三步操作：

1、释放Mutex

2、阻塞等待

3、当被唤醒时，重新获得Mutex并返回

pthread_cond_timedwait函数还有一个额外的参数可以设定等待超时，如果到达了abstime所指定的时刻仍然没有别的线程来唤醒当前线程，就返回ETIMEDOUT。一个线程可以调用pthread_cond_signal唤醒在某个Condition Variable上等待的另一个线程，也可以调用pthread_cond_broadcast唤醒在这个Condition Variable上等待的所有线程。

下面的程序演示了一个生产者-消费者的例子，生产者生产一个结构体串在链表的表头上，消费者从表头取走结构体。

#include <stdlib.h>

#include <pthread.h>

#include <stdio.h>

struct msg {

structmsg *next;

intnum;

};

struct msg *head;

pthread_cond_t has_product =PTHREAD_COND_INITIALIZER;

pthread_mutex_t lock =PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void *consumer(void *p)

{

structmsg *mp;

for(;;) {

pthread_mutex_lock(&lock);

while(head == NULL)

pthread_cond_wait(&has_product,&lock);

mp= head;

head= mp->next;

pthread_mutex_unlock(&lock);

printf("Consume%d\n", mp->num);

free(mp);

sleep(rand()% 5);

}

}

void *producer(void *p)

{

structmsg *mp;

for(;;) {

mp= malloc(sizeof(struct msg));

mp->num= rand() % 1000 + 1;

printf("Produce%d\n", mp->num);

pthread_mutex_lock(&lock);

mp->next= head;

head= mp;

pthread_mutex_unlock(&lock);

pthread_cond_signal(&has_product);

sleep(rand()% 5);

}

}

int main(int argc, char *argv[])

{

pthread_tpid, cid;

srand(time(NULL));

pthread_create(&pid,NULL, producer, NULL);

pthread_create(&cid,NULL, consumer, NULL);

pthread_join(pid,NULL);

pthread_join(cid,NULL);

return0;

}执行结果如下：

Produce 744

Consume 744

Produce 567

Produce 881

Consume 881

Produce 911

Consume 911

Consume 567

Produce 698

Consume 698

在这个例子中，生产者和消费者访问链表的顺序是LIFO的。

Mutex变量是非0即1的，可看作一种资源的可用数量，初始化时Mutex是1，表示有一个可用资源，加锁时获得该资源，将Mutex减到0，表示不再有可用资源，解锁时释放该资源，将Mutex重新加到1，表示又有了一个可用资源。

信号量（Semaphore）和Mutex类似，表示可用资源的数量，和Mutex不同的是这个数量可以大于1。

这里介绍的是POSIX semaphore库函数，详见sem_overview(7)，这种信号量不仅可用于同一进程的线程间同步，也可用于不同进程间的同步。

#include <semaphore.h>

int sem_init(sem_t *sem, int pshared,unsigned int value);

int sem_wait(sem_t *sem);

int sem_trywait(sem_t *sem);

int sem_post(sem_t * sem);

int sem_destroy(sem_t * sem);

semaphore变量的类型为sem_t，sem_init()初始化一个semaphore变量，value参数表示可用资源的数量，pshared参数为0表示信号量用于同一进程的线程间同步，本节只介绍这种情况。在用完semaphore变量之后应该调用sem_destroy()释放与semaphore相关的资源。

调用sem_wait()可以获得资源，使semaphore的值减1，如果调用sem_wait()时semaphore的值已经是0，则挂起等待。如果不希望挂起等待，可以调用sem_trywait()。调用sem_post()可以释放资源，使semaphore的值加1，同时唤醒挂起等待的线程。

上面生产者－消费者的例子是基于链表的，其空间可以动态分配，现在基于固定大小的环形队列重写这个程序：

#include <stdlib.h>

#include <pthread.h>

#include <stdio.h>

#include <semaphore.h>

#define NUM 5

int queue[NUM];

sem_t blank_number, product_number;

void *producer(void *arg)

{

intp = 0;

while(1) {

sem_wait(&blank_number);

queue[p]= rand() % 1000 + 1;

printf("Produce%d\n", queue[p]);

sem_post(&product_number);

p= (p+1)%NUM;

sleep(rand()%5);

}

}

void *consumer(void *arg)

{

intc = 0;

while(1) {

sem_wait(&product_number);

printf("Consume%d\n", queue[c]);

queue[c]= 0;

sem_post(&blank_number);

c= (c+1)%NUM;

sleep(rand()%5);

}

}

int main(int argc, char *argv[])

{

pthread_tpid, cid;

sem_init(&blank_number,0, NUM);

sem_init(&product_number,0, 0);

pthread_create(&pid,NULL, producer, NULL);

pthread_create(&cid,NULL, consumer, NULL);

pthread_join(pid,NULL);

pthread_join(cid,NULL);

sem_destroy(&blank_number);

sem_destroy(&product_number);

return0;

}