pthread_cond_wait函数的学习以及其他

pthread_cond_wait() 前使用 while 讲解
2009-10-27 9:33
LINUX环境下多线程编程肯定会遇到需要条件变量的情况，此时必然要使用pthread_cond_wait()函数。但这个函数的执行过程比较难于理解。
pthread_cond_wait()的工作流程如下（以MAN中的EXAMPLE为例）：
Consider two shared variables x and y, protected by the mutex mut, and a condition vari-
able cond that is to be signaled whenever x becomes greater than y.
int x,y;
pthread_mutex_t mut = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

Waiting until x is greater than y is performed as follows:

pthread_mutex_lock(&mut);
while (x <= y) {
pthread_cond_wait(&cond, &mut);
}
/* operate on x and y */
pthread_mutex_unlock(&mut);

Modifications on x and y that may cause x to become greater than y should signal the con-
dition if needed:

pthread_mutex_lock(&mut);
/* modify x and y */
if (x > y) pthread_cond_broadcast(&cond);
pthread_mutex_unlock(&mut);

这个例子的意思是，两个线程要修改X和Y的值，第一个线程当X<=Y时就挂起，直到X>Y时才继续执行（由第二个线程可能会修改X,Y的值，当X>Y时唤醒第一个线程），即首先初始化一个普通互斥量mut和一个条件变量cond。之后分别在两个线程中分别执行如下函数体：

pthread_mutex_lock(&mut);
while (x <= y) {
pthread_cond_wait(&cond, &mut);
}
/* operate on x and y */
pthread_mutex_unlock(&mut);
和： pthread_mutex_lock(&mut);
/* modify x and y */
if (x > y) pthread_cond_signal(&cond);
pthread_mutex_unlock(&mut);
其实函数的执行过程非常简单，在第一个线程执行到pthread_cond_wait(&cond,&mut)时，此时如果X<=Y，则此函数就将mut互斥量解锁，再将cond条件变量加锁，此时第一个线程挂起（不占用任何CPU周期）。
而在第二个线程中，本来因为mut被第一个线程锁住而阻塞，此时因为mut已经释放，所以可以获得锁mut，并且进行修改X和Y的值，在修改之后，一个IF语句判定是不是X>Y，如果是，则此时pthread_cond_signal()函数会唤醒第一个线程，并在下一句中释放互斥量mut。然后第一个线程开始从pthread_cond_wait()执行，首先要再次锁mut，如果锁成功，再进行条件的判断（至于为什么用WHILE，即在被唤醒之后还要再判断，后面有原因分析），如果满足条件，则被唤醒进行处理，最后释放互斥量mut。

至于为什么在被唤醒之后还要再次进行条件判断（即为什么要使用while循环来判断条件），是因为可能有“惊群效应”。有人觉得此处既然是被唤醒的，肯定是满足条件了，其实不然。如果是多个线程都在等待这个条件，而同时只能有一个线程进行处理，此时就必须要再次条件判断，以使只有一个线程进入临界区处理。对此，转来一段：

引用下POSIX的RATIONALE：

Condition Wait Semantics

It is important to note that when pthread_cond_wait() and pthread_cond_timedwait() return without error, the associated predicate may still be false. Similarly, when pthread_cond_timedwait() returns with the timeout error, the associated predicate may be true due to an unavoidable race between the expiration of the timeout and the predicate state change.

The application needs to recheck the predicate on any return because it cannot be sure there is another thread waiting on the thread to handle the signal, and if there is not then the signal is lost. The burden is on the application to check the predicate.

Some implementations, particularly on a multi-processor, may sometimes cause multiple threads to wake up when the condition variable is signaled simultaneously on different processors.

In general, whenever a condition wait returns, the thread has to re-evaluate the predicate associated with the condition wait to determine whether it can safely proceed, should wait again, or should declare a timeout. A return from the wait does not imply that the associated predicate is either true or false.

It is thus recommended that a condition wait be enclosed in the equivalent of a "while loop" that checks the predicate.

从上文可以看出：
1，pthread_cond_signal在多处理器上可能同时唤醒多个线程，当你只能让一个线程处理某个任务时，其它被唤醒的线程就需要继续wait,while循环的意义就体现在这里了，而且规范要求pthread_cond_signal至少唤醒一个pthread_cond_wait上的线程，其实有些实现为了简单在单处理器上也会唤醒多个线程.
2，某些应用，如线程池，pthread_cond_broadcast唤醒全部线程，但我们通常只需要一部分线程去做执行任务，所以其它的线程需要继续wait.所以强烈推荐此处使用while循环.

其实说白了很简单，就是pthread_cond_signal()也可能唤醒多个线程，而如果你同时只允许一个线程访问的话，就必须要使用while来进行条件判断，以保证临界区内只有一个线程在处理。

近期学习了线程等待和激活的相关知识。

先介绍几个api：

pthread_cond_t表示多线程的条件变量，用于控制线程等待和就绪的条件。

一：条件变量的初始化：

条件变量和互斥锁一样，都有静态动态两种创建方式，

静态方式使用PTHREAD_COND_INITIALIZER常量初始化。

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

动态方式初始化：

1 首先要new或者malloc一个pthread_cond_t类型变量，

用完后记得delete或者free掉。

2

动态方式调用pthread_cond_init()函数，API定义如下：

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr);

 

二：条件变量的销毁

 

注销一个条件变量需要调用pthread_cond_destroy()，只有在没有线程在该条件变量上等待的时候才能注销这个条件变量，否则返回EBUSY。

因为Linux实现的条件变量没有分配什么资源，所以注销动作只包括检查是否有等待线程。API定义如下：

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond)

 

new开辟的pthread_cond_t记得在调用pthread_cond_destroy()后调用delete或者free销毁掉。

 

三：等待和触发

 

1条件等待

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t * cond, pthread_mutex_t * mutex);

 

2时间等待

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *abstime);

 

 其中计时等待方式如果在给定时刻前条件没有满足，则返回ETIMEOUT，结束等待，

其中abstime以与time()系统调用相同意义的绝对时间形式出现，0表示格林尼治时间1970年1月1日0时0分0秒。

 

无论哪种等待方式，都必须和一个互斥锁配合，以防止多个线程同时请求pthread_cond_wait()（或pthread_cond_timedwait()，下同）

的竞争条件（Race Condition）。mutex互斥锁必须是普通锁（PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP）

或者适应锁（PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP），且在调用pthread_cond_wait()前必须由本线程加锁（pthread_mutex_lock()），

而在更新条件等待队列以前，mutex保持锁定状态，并在线程挂起进入等待前解锁。

在条件满足从而离开pthread_cond_wait()之前，mutex将被重新加锁，以与进入pthread_cond_wait()前的加锁动作对应。

 

使用pthread_cond_wait方式如下：

pthread _mutex_lock(&mutex)

while或if(线程执行的条件是否成立)

pthread_cond_wait(&cond, &mutex);

线程执行

pthread_mutex_unlock(&mutex);

 

3

激发条件有两种形式，pthread_cond_signal()激活一个等待该条件的线程，存在多个等待线程时按入队顺序激活其中一个；

而pthread_cond_broadcast()则激活所有等待线程。

 

 上面就是多线程条件变量的基础知识，下面着重阐述下为什么调用pthread_cond_wait之前要加锁，以及pthread_cond_wait内部

调用了什么。

首先解释为什么在等待前加锁，因为线程隶属于进程，线程共享进程的资源，如果不进行加锁，就会造成多个线程同时（相对意义的同时，

可能一个线程在函数A中更改此共享资源，此时函数A没结束，另一个线程也访问了这个共享资源）

访问这块共享的资源，如果对临界区的内容进行更改，那么两个线程就会造成数据的不准确。所以在更改临界资源的时候要枷锁。而调用

pthread_cond_wait之前要加锁也是为了避免多个线程竞争一个条件，造成共享的资源被多个线程更改。所以需要互斥的访问共有资源，

那么在pthread_cond_wait之前需要加锁，避免别的线程更改共有资源。

接下来思考pthread_cond_wait内部做了哪些操作。

在pthread_cond_wait调用之前，线程调用pthread_mutex_lock,设置锁，如果条件不满足，那么该线程处于阻塞等待的状态。别的线程

发现条件满足后会调用pthread_cond_signal或pthread_cond_broadcast通知他。那么问题出来了，如果该线程不解锁，别的线程是没办法

更改共享资源的，也就没办法设置条件变量使其满足该线程的等待条件，出现死锁。所以，pthread_cond_wait会在内部进行解锁操作。别的

线程可以访问共享资源，更改条件触发该线程，是该线程从阻塞状态变为就绪。慢一点，还有一个重要的步骤，pthread_cond_wait会将该线程

放到线程等待队列里，那么是在放到等待队列之前解锁还是放到等待队列之后才解锁呢？

对于这点apue给出的解释：The mutex passed to pthread_cond_wait protects the condition.The caller passes it locked to

the function, which then atomically places the calling thread on the list of threads waiting for the condition and unlocks

the mutex. This closes the window between the time that the condition is checked and the time that the

thread goes to sleep waiting for the condition to change, so that the thread doesn't miss a change in the condition.

When pthread_cond_wait returns, the mutex is again locked.

 这段话的意思是mutex传递给pthread_cond_wait 用于保护条件，调用者将mutex传递给pthread_cond_wait，

pthread_cond_wait 会自动将调用该函数的线程放到线程等待队列上，等待条件并且解锁。这种做法关闭了一段间隙，

这段间隙就是在我们检测条件的时刻和将线程放到等待队列休眠的时刻之间，这么做该线程不会错过条件的改变。而当

pthread_cond_wait 返回时，mutex又被上锁了。

所以，pthread_cond_wait内部的操作顺序是将线程放到等待队列，然后解锁，等条件满足时进行加锁，然后返回。

整理下pthread_cond_wait内部操作

1，线程放在等待队列上，解锁

2，等待 pthread_cond_signal或者pthread_cond_broadcast信号之后去竞争锁

3，若竞争到互斥索则加锁。

使用流程

等待线程：

pthread_mutex_lock(&mutex);

if(条件不满足)

　　pthread_cond_wait(&cond, &mutex);

//处理共享资源

pthread_mutex_unlock(&mutex);

激活线程：

pthread_mutex_lock(&mutex);

pthread_cond_signal(&cond);

pthread_mutex_unlock(&mutex);

https://www.cnblogs.com/leijiangtao/p/4028338.html

https://www.cnblogs.com/secondtonone1/p/5580203.html

https://blog.csdn.net/analogous_love/article/details/53319815