APUE学习之多线程编程（二）：线程同步

     为了保证临界资源的安全性和可靠性，线程不得不使用锁，同一时间只允许一个或几个线程访问变量。常用的锁有互斥量，读写锁，条件变量

    

     一、互斥量

     互斥量是用pthread_mutex_t数据类型表示的，在使用之前，必须对其进行初始化，可以把它设置为PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER（只适于静态分配的互斥量），也可以通过调用pthread_mutex_init函数进行初始化，最后还要调用pthread_mutex_destroy进行释放。

#include <pthread.h>
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

     要用默认的属性初始化互斥量，只需把attr设为NULL，后面在讨论互斥量属性。

     对互斥量进行加锁，使用pthread_mutex_lock，如果互斥量已经上锁，调用线程将阻塞至互斥量解锁，对互斥量解锁，使用pthread_mutex_unlock，如果线程不希望被阻塞，它可以调用pthread_mutex_trylock尝试对互斥量进行加锁，如果互斥量未锁住，则成功加锁，如果互斥量已锁住，pthread_mutex_trylock就会失败，返回EBUSY。

#include <pthread.h>
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

例子：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

struct foo
{
    int f_count;
    pthread_mutex_t f_lock;
    int f_id;
};

struct foo * foo_alloc(int id)
{
    struct foo *fp = NULL;

    if ((fp = malloc(sizeof(struct foo))) != NULL)
    {
        fp->f_count = ;
        fp->f_id = id;
        if (pthread_mutex_init(&fp->f_lock, NULL) != )
        {
            free(fp);
            return NULL;
        }
    }

    return fp;
}

void foo_hold(struct foo *fp)
{
    pthread_mutex_lock(&fp->f_lock);
    fp->f_count++;
    pthread_mutex_unlock(&fp->f_lock);
}

void foo_rele(struct foo *fp)
{
    pthread_mutex_lock(&fp->f_lock);

    if (--fp->f_count == )
    {
        pthread_mutex_unlock(&fp->f_lock);
        pthread_mutex_destroy(&fp->f_lock);
        free(fp);
    }
    else
    {
        pthread_mutex_unlock(&fp->f_lock);
    }
}

     上面的例子描述了用于保护某个数据结构的互斥量，我们在对象中嵌入引用计数，确保在所有使用该对象的线程完成数据访问之前，该对象的内存空间不会被释放。

 

     如果线程对同一个互斥量加锁两次，那么它自身将陷入死锁状态。如果有一个以上的互斥量，且允许一个线程一直占有第一个互斥量，并且试图锁住第二个互斥量时处于阻塞状态，但是拥有第二个互斥量的线程也在试图锁住第一个互斥量，也阻塞，就死锁了。

     可以通过仔细控制互斥量加锁的顺序来避免死锁的发生，譬如要求所有线程必须先锁住互斥量A才能锁住互斥量B。另一种办法是当线程无法获得下一个互斥量的时候，就释放自己已占有的互斥量，过一段时间再试。

例子：

#include "apue.h"
#include <pthread.h>

#define NMASH 29
#define HASH(id) (((unsigned long)id) % NMASH)

struct foo *fh[NMASH];

pthread_mutex_t hashlock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

struct foo
{
    int f_count;
    pthread_mutex_t f_lock;
    int f_id;
    struct foo *f_next;
};

struct foo *foo_alloc(int id)
{
    struct foo *fp = NULL;
    int idx = ;

    if ((fp = malloc(sizeof(struct foo))) != NULL)
    {
        fp->f_count = ;
        fp->f_id = if;
        if (pthread_mutex_init(&fp->f_lock, NULL) != )
        {
            free(fp);
            return NULL;
        }

        idx = HASH(id);
        pthread_mutex_lock(&hashlock);
        fp->f_next = fh[idx];
        fh[idx] = fp;
        pthread_mutex_lock(&fp->f_lock);
        pthread_mutex_unlock(&hashlock);
        pthread_mutex_unlock(&fp->f_lock);
    }

    return fp;
}

void foo_hold(struct foo *fp)
{
    pthread_mutex_lock(&fp->f_lock);
    fp->f_count++;
    pthread_mutex_unlock(&fp->f_lock);
}

struct foo *foo_find(int id)
{
    struct foo *fp = NULL;

    pthread_mutex_lock(&hashlock);

    for (fp = fh[HASH(id)]; fp != NULL; fp = fp->next)
    {
        if (fp->f_id = id)
        {
            foo_hold(fp);
            break;
        }
    }

    pthread_mutex_unlock(&hashlock);
    return fp;
}

void foo_rele(struct foo *fp)
{
    struct foo *tfp = NULL;
    int idx = ;

    pthread_mutex_lock(&fp->f_lock);

    if (fp->f_count == )
    {
        pthread_mutex_unlock(&fp->f_lock);
        pthread_mutex_lock(&hashlock);
        pthread_mutex_lock(&fp->f_lock);

        if (fp->f_count != )
        {
            fp->f_count--;
            pthread_mutex_unlock(&hashlock);
            pthread_mutex_unlock(&fp->f_lock);
            return;
        }

        idx = HASH(fp->f_id);
        tfp = fh[idx];
        if (tfp = fp)
        {
            fh[idx] = fp->f_next
        }
        else
        {
            while(tfp->next != fp)
            {
                tfp = tfp->next;
            }
            tfp->next = fp->f_next;
        }

        pthread_mutex_unlock(&hashlock);
        pthread_mutex_unlock(&fp->f_lock);
        pthread_mutex_destroy(&fp->f_lock);
        free(fp);
    }
    else
    {
        fp->f_count--;
        pthread_mutex_unlock(&fp->f_lock);
    }
}

     这个例子比上一个例子多了一个散列表和一个保护散列表的互斥量，加锁的顺序是先hashlock，再f_lock，注意这个顺序，就不会发生死锁，不过这样也导致代码太繁琐，最后一个函数解锁f_lock后重新加锁f_lock，需要重新考察f_count的值，因为可能在这期间被其他线程修改。

     这样的方式太复杂，让hashlock也保护f_cout，事情会简单很多。

例子：

#include "apue.h"
#include <pthread.h>

#define NMASH 29
#define HASH(id) (((unsigned long)id) % NMASH)

struct foo *fh[NMASH];

pthread_mutex_t hashlock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

struct foo
{
    int f_count;
    pthread_mutex_t f_lock;
    int f_id;
    struct foo *f_next;
};

struct foo *foo_alloc(int id)
{
    struct foo *fp = NULL;
    int idx = ;

    if ((fp = malloc(sizeof(struct foo))) != NULL)
    {
        fp->f_count = ;
        fp->f_id = if;
        if (pthread_mutex_init(&fp->f_lock, NULL) != )
        {
            free(fp);
            return NULL;
        }

        idx = HASH(id);
        pthread_mutex_lock(&hashlock);
        fp->f_next = fh[idx];
        fh[idx] = fp;
        pthread_mutex_lock(&fp->f_lock);
        pthread_mutex_unlock(&hashlock);
        pthread_mutex_unlock(&fp->f_lock);
    }

    return fp;
}

void foo_hold(struct foo *fp)
{
    pthread_mutex_lock(&hashlock);
    fp->f_count++;
    pthread_mutex_unlock(&hashlock);
}

struct foo *foo_find(int id)
{
    struct foo *fp = NULL;

    pthread_mutex_lock(&hashlock);

    for (fp = fh[HASH(id)]; fp != NULL; fp = fp->next)
    {
        if (fp->f_id = id)
        {
            foo_hold(fp);
            break;
        }
    }

    pthread_mutex_unlock(&hashlock);
    return fp;
}

void foo_rele(struct foo *fp)
{
    struct foo *tfp = NULL;
    int idx = ;

    pthread_mutex_lock(&hashlock);

    if (fp->f_count == )
    {

        idx = HASH(fp->f_id);
        tfp = fh[idx];
        if (tfp = fp)
        {
            fh[idx] = fp->f_next
        }
        else
        {
            while(tfp->next != fp)
            {
                tfp = tfp->next;
            }
            tfp->next = fp->f_next;
        }

        pthread_mutex_unlock(&hashlock);
        pthread_mutex_destroy(&fp->f_lock);
        free(fp);
    }
    else
    {
        fp->f_count--;
        pthread_mutex_unlock(&hashlock);
    }
}

     当线程试图获取一个已加锁的互斥量时，pthread_mutex_timedlock互斥量原语允许绑定线程阻塞时间。pthread_mutex_timedlock和pthread_mutex_lock是基本等价的，但是达到超时时间后，pthread_mutex_timedlock会返回。超时时间指原意等待的绝对时间。这个超时时间是用timespec来表示的

#include <pthread.h>
#include <time.h>
int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict tsptr);

     二、读写锁

     读写锁与互斥量相似，不过读写锁允许更高的并行性，一次只有一个线程可以占有写模式的读写锁，但是多个线程可以同时占有读模式的读写锁，简单地来说，就说支持一个写者，多个读者。

     当读写锁是写加锁状态时，所以试图对这个锁加锁的线程都会被阻塞，当读写锁在读加锁状态时，所以试图以读模式对它进行加锁的线程都可以得到访问权，但是希望以写模式加锁的线程会被阻塞。不过当有一个线程企图以写模式获取锁时，读写锁会阻塞后面的读模式锁请求，防止读模式锁长期占用。

     可知，读写锁适用于对数据结构读的次数远大于写的情况，又称共享互斥锁，读共享，写互斥。

#include <pthread.h>
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

     读写锁调用phtread_rwlock_init进行初始化，如果希望读写锁有默认的属性，传null给attr即可。

     读的模式下锁定读写锁，需要调用phtread_rwlock_rdlock，写的模式下锁定读写锁，需要调用pthread_rwlock_wrlock，不过以何种方式锁定读写锁，都可以调用pthread_rwlock_unlock解锁。

#include <pthread.h>
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

例子：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

struct job
{
    struct job *j_next;
    struct job *j_prev;
    pthread_t j_id;
};

struct queue
{
    struct job *q_head;
    struct job *q_tail;
    pthread_rwlock_t q_lock;
};

int queue_init(struct queue *qp)
{
    int err;

    qp->q_head = NULL;
    qp->q_tail = NULL;
    err = pthread_rwlock_init(&qb->q_lock, NULL);
    if (err != )
    {
        return err;
    }

    return
}

void job_insert(struct queue *qp, struct job *jp)
{
    pthread_rwlock_wrlock(&qb->q_lock);
    jp->next = qp->head;
    jp->j_prev = NULL;

    if (qp->q_head != NULL)
    {
        qp->q_head->j_prev = jp;
    }
    else
    {
        qp->tail = jp;
    }
    qp->head = jp;
    pthread_rwlock_unlock(&qp->q_lock);
}

void job_append(struct queue *qp, struct job *jp)
{
    pthread_rwlock_wrlock(&qp->q_lock);
    jp->j_next = NULL;
    jp->j_prev = qp->tail;
    if (qp->q_tail != NULL)
    {
        qp->q_tail->j_next = jp;
    }
    qp->q_tail = jp;
    pthread_rwlock_unlock(&qp->q_lock);
}

void job_remove(struct queue *qp, struct job *jp)
{
    pthread_rwlock_wrlock(&qp->q_lock);
    if (jp == qp->q_head)
    {
        qp->q_head = jp->j_next;
        if (qp->q_tail == jp)
        {
            qp->tail = NULL;
        }
        else
        {
            jp->next->j_prev = jp->j_prev;
        }
    }
    else if (jp == qp->q_tail)
    {
        qp->q_tail = jp->j_prev;
        jp->j_prev->j_next = NULL;
    }
    else
    {
        jp->j_prev->j_next = jp->j_next;
        jp->j_next->j_prev = jp->j_prev;
    }
    pthread_rwlock_unlock(&qp->q_lock);
}

struct job *job_find(struct queue *qp, pthread_t id)
{
    struct job *jp;

    if (pthread_rwlock_rdlock(&qp->q_lock) != )
    {
        return NULL;
    }

    for (jp = qb->q_head; jp != NULL; jp = jp->j_next)
    {
        if (pthread_equal(jp->j_id, id))
        {
            break;
        }
    }
    pthread_rwlock_unlock(&qp->q_lock);
    return jp;
}

     与互斥量一样，读写锁也有带超时的读写锁函数，避免陷入永久的阻塞。

#include <pthread.h>
#include <time.h>
int pthread_rwlock_timedrdlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const struct timespec *restrict tsptr);
int pthread_rwlock_timedwrlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const struct timespec *restrict tsptr);

     三、条件变量

     条件变量与互斥量一起使用时，允许线程以无竞争的方式等待特定的条件发生。

     条件本身由互斥量保护，线程在改变条件状态之前必须锁定互斥量。在使用条件变量之前，必须把它初始化，可以把常量PTHREAD_CON_INITIALIZE赋给静态分配的条件变量，也可用pthread_cond_init函数进行初始化。使用pthread_cond_destroy释放。

#include <pthread.h>
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);
int pthread_cond_destroy(pthread_con_t *cond);

     如果需要一个默认属性的条件变量，把null给attr即可。

     我们使用pthread_cond_wait等待条件变量为真，如果在给定时间内不能满足，则返回错误码。

#include<pthread.h>
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex)
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, phtread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict tsptr)

     调用者把锁定的互斥量传给函数，函数自动把调用线程放到等待条件的线程列表上，对互斥量解锁，当pthread_cond_wait返回时，互斥量再次被锁住。pthread_cond_timedwait多了原意等待的时间。

     有两个函数可用于通知线程条件已满足，pthread_cond_signal函数至少唤醒一个，pthread_cond_broadcast唤醒等待该条件的所有线程。

#include<phtread.h>
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond)
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond)

例子：

#include <pthread.h>

struct msg
{
    struct msg *m_next;
};

struct msg *workq;

pthread_cond_t qready = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t qlock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void process_msg(void)
{
    struct msg *mp;

    for(;;)
    {
        pthread_mutex_lock(&qlock);
        while (workq == NULL)
        {
            pthread_cond_wait(&qready, &qlock);
        }

        mp = workq;
        workq = mp->m_next;
        pthread_mutex_unlock(&qlock);
    }
}

void enqueue_msg(struct msg *mp)
{
    pthread_mutex_lock(&qlock);
    mp->m_next = workq;
    workq = mp;
    pthread_mutex_unlock(&qlock);
    pthread_cond_signal(&qready);
}