Linux C++多线程同步的四种方式

From : https://blog.csdn.net/qq_39382769/article/details/960753461.同一个线程内部，指令按照先后顺序执行；但不同线程之间的指令很难说清楚是哪一个先执行，在并发情况下，指令执行的先后顺序由内核决定。 如果运行的结果依赖于不同线程执行的先后的话，那么就会形成竞争条件，在这样的情况下，计算的结果很难预知，所以应该尽量避免竞争条件的形成。 2.最常见的解决竞争条件的方法是：将原先分离的两个指令构成一个不可分割的原子 *** 作，而其他任务不能插入到原子 *** 作中！ 3.对多线程来说，同步指的是在一定时间内只允许某一个线程访问某个资源，而在此时间内，不允许其他线程访问该资源! 互斥锁 条件变量 读写锁 信号量 一种特殊的全局变量，拥有lock和unlock两种状态。 unlock的互斥锁可以由某个线程获得，一旦获得，这个互斥锁会锁上变成lock状态，此后只有该线程由权力打开该锁，其他线程想要获得互斥锁，必须得到互斥锁再次被打开之后。 1.互斥锁的初始化, 分为静态初始化和动态初始化. 2.互斥锁的相关属性及分类 (1) attr表示互斥锁的属性 (2) pshared表示互斥锁的共享属性，由两种取值： 1）PTHREAD_PROCESS_PRIVATE：锁只能用于一个进程内部的两个线程进行互斥（默认情况） 2）PTHREAD_PROCESS_SHARED：锁可用于两个不同进程中的线程进行互斥，使用时还需要在进程共享内存中分配互斥锁，然后为该互斥锁指定属性就可以了。 互斥锁存在缺点： （1）某个线程正在等待共享数据内某个条件出现。 （2）重复对数据对象加锁和解锁（轮询），但是这样轮询非常耗费时间和资源，而且效率非常低，所以互斥锁不太适合这种情况。 当线程在等待满足某些条件时，使线程进入睡眠状态；一旦条件满足，就换线因等待满足特定条件而睡眠的线程。 程序的效率无疑会大大提高。 1）创建 静态方式：pthread_cond_t cond PTHREAD_COND_INITIALIZER 动态方式：int pthread_cond_init(&cond,NULL) Linux thread 实现的条件变量不支持属性，所以NULL(cond_attr参数） 2）注销 int pthread_cond_destory(&cond) 只有没有线程在该条件变量上，该条件变量才能注销，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!(请参考条件变量的底层实现） 3）等待 条件等待：int pthread_cond_wait(&cond,&mutex) 计时等待：int pthread_cond_timewait(&cond,&mutex,time) 1.其中计时等待如果在给定时刻前条件没有被满足，则返回ETIMEOUT，结束等待 2.无论那种等待方式，都必须有一个互斥锁配合，以防止多个线程同时请求pthread_cond_wait形成竞争条件！ 3.在调用pthread_cond_wait前必须由本线程加锁 4）激发 激发一个等待线程：pthread_cond_signal(&cond) 激发所有等待线程：pthread_cond_broadcast(&cond) 重要的是，pthread_cond_signal不会存在惊群效应，也就是是它最多给一个等待线程发信号，不会给所有线程发信号唤醒，然后要求他们自己去争抢资源！ pthread_cond_broadcast() 唤醒所有正在pthread_cond_wait()的同一个条件变量的线程。注意：如果等待的多个现场不使用同一个锁，被唤醒的多个线程执行是并发的。pthread_cond_broadcast &pthread_cond_signal1.读写锁比互斥锁更加具有适用性和并行性 2.读写锁最适用于对数据结构的读 *** 作读 *** 作次数多余写 *** 作次数的场合！ 3.锁处于读模式时可以线程共享，而锁处于写模式时只能独占，所以读写锁又叫做共享-独占锁。 4.读写锁有两种策略：强读同步和强写同步 强读同步： 总是给读者更高的优先权，只要写者没有进行写 *** 作，读者就可以获得访问权限 强写同步： 总是给写者更高的优先权，读者只能等到所有正在等待或者执行的写者完成后才能进行读 1）初始化的销毁读写锁 静态初始化：pthread_rwlock_t rwlock=PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER 动态初始化：int pthread_rwlock_init(rwlock，NULL)，NULL代表读写锁采用默认属性 销毁读写锁：int pthread_rwlock_destory(rwlock) 在释放某个读写锁的资源之前，需要先通过pthread_rwlock_destory函数对读写锁进行清理。释放由pthread_rwlock_init函数分配的资源 如果你想要读写锁使用非默认属性，则attr不能为NULL，得给attr赋值 int pthread_rwlockattr_init(attr),给attr初始化 int pthread_rwlockattr_destory(attr)，销毁attr 2）以写的方式获取锁，以读的方式获取锁，释放读写锁 int pthread_rwlock_rdlock(rwlock),以读的方式获取锁 int pthread_rwlock_wrlock(rwlock)，以写的方式获取锁 int pthread_rwlock_unlock(rwlock),释放锁 上面两个获取锁的方式都是阻塞的函数，也就是说获取不到锁的话，调用线程不是立即返回，而是阻塞执行，在需要进行写 *** 作的时候，这种阻塞式获取锁的方式是非常不好的，你想一下，我需要进行写 *** 作，不但没有获取到锁，我还一直在这里等待，大大拖累效率 所以我们应该采用非阻塞的方式获取锁： int pthread_rwlock_tryrdlock(rwlock) int pthread_rwlock_trywrlock(rwlock) 互斥锁只允许一个线程进入临界区，而信号量允许多个线程进入临界区。 1）信号量初始化 int sem_init(&sem,pshared, v) pshared为0，表示这个信号量是当前进程的局部信号量。 pshared为1，表示这个信号量可以在多个进程之间共享。 v为信号量的初始值。 返回值： 成功：0，失败：-1 2）信号量值的加减 int sem_wait(&sem):以原子 *** 作的方式将信号量的值减去1 int sem_post(&sem):以原子 *** 作的方式将信号量的值加上1 3）对信号量进行清理 int sem_destory(&sem)

每个进程的用户地址空间都是独立的，一般而言是不能互相访问的，但内核空间是每个进程都共享的，所以进程之间要通信必须通过内核。

上面命令行里的「|」竖线就是一个管道，它的功能是将前一个命令（ps auxf）的输出，作为后一个命令（grep mysql）的输入，从这功能描述，可以看出管道传输数据是单向的，如果想相互通信，我们需要创建两个管道才行。

同时，我们得知上面这种管道是没有名字，所以「|」表示的管道称为匿名管道，用完了就销毁。

管道还有另外一个类型是命名管道，也被叫做 FIFO，因为数据是先进先出的传输方式。

在使用命名管道前，先需要通过 mkfifo 命令来创建，并且指定管道名字

myPipe 就是这个管道的名称，基于 Linux 一切皆文件的理念，所以管道也是以文件的方式存在，我们可以用 ls 看一下，这个文件的类型是 p，也就是 pipe（管道） 的意思：

你 *** 作了后，你会发现命令执行后就停在这了，这是因为管道里的内容没有被读取，只有当管道里的数据被读完后，命令才可以正常退出。

于是，我们执行另外一个命令来读取这个管道里的数据：

可以看到，管道里的内容被读取出来了，并打印在了终端上，另外一方面，echo 那个命令也正常退出了。

我们可以看出，管道这种通信方式效率低，不适合进程间频繁地交换数据。当然，它的好处，自然就是简单，同时也我们很容易得知管道里的数据已经被另一个进程读取了。

前面说到管道的通信方式是效率低的，因此管道不适合进程间频繁地交换数据。

对于这个问题，消息队列的通信模式就可以解决。比如，A 进程要给 B 进程发送消息，A 进程把数据放在对应的消息队列后就可以正常返回了，B 进程需要的时候再去读取数据就可以了。同理，B 进程要给 A 进程发送消息也是如此。

再来，消息队列是保存在内核中的消息链表，在发送数据时，会分成一个一个独立的数据单元，也就是消息体（数据块），消息体是用户自定义的数据类型，消息的发送方和接收方要约定好消息体的数据类型，所以每个消息体都是固定大小的存储块，不像管道是无格式的字节流数据。如果进程从消息队列中读取了消息体，内核就会把这个消息体删除。

消息队列生命周期随内核，如果没有释放消息队列或者没有关闭 *** 作系统，消息队列会一直存在，而前面提到的匿名管道的生命周期，是随进程的创建而建立，随进程的结束而销毁。

消息这种模型，两个进程之间的通信就像平时发邮件一样，你来一封，我回一封，可以频繁沟通了。

但邮件的通信方式存在不足的地方有两点，一是通信不及时，二是附件也有大小限制，这同样也是消息队列通信不足的点。

消息队列不适合比较大数据的传输，因为在内核中每个消息体都有一个最大长度的限制，同时所有队列所包含的全部消息体的总长度也是有上限。在 Linux 内核中，会有两个宏定义 MSGMAX 和 MSGMNB，它们以字节为单位，分别定义了一条消息的最大长度和一个队列的最大长度。

消息队列通信过程中，存在用户态与内核态之间的数据拷贝开销，因为进程写入数据到内核中的消息队列时，会发生从用户态拷贝数据到内核态的过程，同理另一进程读取内核中的消息数据时，会发生从内核态拷贝数据到用户态的过程。

消息队列的读取和写入的过程，都会有发生用户态与内核态之间的消息拷贝过程。那共享内存的方式，就很好的解决了这一问题。

现代 *** 作系统，对于内存管理，采用的是虚拟内存技术，也就是每个进程都有自己独立的虚拟内存空间，不同进程的虚拟内存映射到不同的物理内存中。所以，即使进程 A 和 进程 B 的虚拟地址是一样的，其实访问的是不同的物理内存地址，对于数据的增删查改互不影响。

用了共享内存通信方式，带来新的问题，那就是如果多个进程同时修改同一个共享内存，很有可能就冲突了。例如两个进程都同时写一个地址，那先写的那个进程会发现内容被别人覆盖了。

为了防止多进程竞争共享资源，而造成的数据错乱，所以需要保护机制，使得共享的资源，在任意时刻只能被一个进程访问。正好，信号量就实现了这一保护机制。

信号量其实是一个整型的计数器，主要用于实现进程间的互斥与同步，而不是用于缓存进程间通信的数据。

信号量表示资源的数量，控制信号量的方式有两种原子 *** 作：

P *** 作是用在进入共享资源之前，V *** 作是用在离开共享资源之后，这两个 *** 作是必须成对出现的。

接下来，举个例子，如果要使得两个进程互斥访问共享内存，我们可以初始化信号量为 1。

具体的过程如下：

可以发现，信号初始化为 1，就代表着是互斥信号量，它可以保证共享内存在任何时刻只有一个进程在访问，这就很好的保护了共享内存。

另外，在多进程里，每个进程并不一定是顺序执行的，它们基本是以各自独立的、不可预知的速度向前推进，但有时候我们又希望多个进程能密切合作，以实现一个共同的任务。

例如，进程 A 是负责生产数据，而进程 B 是负责读取数据，这两个进程是相互合作、相互依赖的，进程 A 必须先生产了数据，进程 B 才能读取到数据，所以执行是有前后顺序的。

那么这时候，就可以用信号量来实现多进程同步的方式，我们可以初始化信号量为 0。

具体过程：

可以发现，信号初始化为 0，就代表着是同步信号量，它可以保证进程 A 应在进程 B 之前执行。

跨机器进程间通信方式

同个进程下的线程之间都是共享进程的资源，只要是共享变量都可以做到线程间通信，比如全局变量，所以对于线程间关注的不是通信方式，而是关注多线程竞争共享资源的问题，信号量也同样可以在线程间实现互斥与同步：

三种专门用于线程同步的机制:POSIX信号量,互斥量和条件变量.

在Linux上信号量API有两组,一组是System V IPC信号量,即PV *** 作,另外就是POSIX信号量,POSIX信号量的名字都是以sem_开头.

phshared参数指定信号量的类型,若其值为0,就表示这个信号量是当前进程的局部信号量,否则该信号量可以在多个进程之间共享.value值指定信号量的初始值,一般与下面的sem_wait函数相对应.

其中比较重要的函数sem_wait函数会以原子 *** 作的方式将信号量的值减一,如果信号量的值为零,则sem_wait将会阻塞,信号量的值可以在sem_init函数中的value初始化sem_trywait函数是sem_wait的非阻塞版本sem_post函数将以原子的 *** 作对信号量加一,当信号量的值大于0时,其他正在调用sem_wait等待信号量的线程将被唤醒.

这些函数成功时返回0,失败则返回-1并设置errno.

生产者消费者模型:

生产者对应一个信号量:sem_t producer

消费者对应一个信号量:sem_t customer

sem_init(&producer,2)----生产者拥有资源,可以工作

sem_init(&customer,0)----消费者没有资源,阻塞

在访问公共资源前对互斥量设置（加锁），确保同一时间只有一个线程访问数据，在访问完成后再释放（解锁）互斥量.

互斥锁的运行方式:串行访问共享资源

信号量的运行方式:并行访问共享资源

互斥量用pthread_mutex_t数据类型表示，在使用互斥量之前，必须使用pthread_mutex_init函数对它进行初始化，注意，使用完毕后需调用pthread_mutex_destroy.

pthread_mutex_init用于初始化互斥锁，mutexattr用于指定互斥锁的属性，若为NULL，则表示默认属性。除了用这个函数初始化互斥所外，还可以用如下方式初始化：pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER。

pthread_mutex_destroy用于销毁互斥锁，以释放占用的内核资源，销毁一个已经加锁的互斥锁将导致不可预期的后果。

pthread_mutex_lock以原子 *** 作给一个互斥锁加锁。如果目标互斥锁已经被加锁，则pthread_mutex_lock则被阻塞，直到该互斥锁占有者把它给解锁.

pthread_mutex_trylock和pthread_mutex_lock类似，不过它始终立即返回，而不论被 *** 作的互斥锁是否加锁，是pthread_mutex_lock的非阻塞版本.当目标互斥锁未被加锁时，pthread_mutex_trylock进行加锁 *** 作；否则将返回EBUSY错误码。注意：这里讨论的pthread_mutex_lock和pthread_mutex_trylock是针对普通锁而言的，对于其他类型的锁，这两个加锁函数会有不同的行为.

pthread_mutex_unlock以原子 *** 作方式给一个互斥锁进行解锁 *** 作。如果此时有其他线程正在等待这个互斥锁，则这些线程中的一个将获得它.

三个打印机轮流打印:

输出结果:

如果说互斥锁是用于同步线程对共享数据的访问的话,那么条件变量就是用于在线程之间同步共享数据的值.条件变量提供了一种线程之间通信的机制:当某个共享数据达到某个值时,唤醒等待这个共享数据的线程.

条件变量会在条件不满足的情况下阻塞线程.且条件变量和互斥量一起使用，允许线程以无竞争的方式等待特定的条件发生.

其中pthread_cond_broadcast函数以广播的形式唤醒所有等待目标条件变量的线程,pthread_cond_signal函数用于唤醒一个等待目标条件变量线程.但有时候我们可能需要唤醒一个固定的线程,可以通过间接的方法实现:定义一个能够唯一标识目标线程的全局变量,在唤醒等待条件变量的线程前先设置该变量为目标线程,然后采用广播的方式唤醒所有等待的线程,这些线程被唤醒之后都检查该变量以判断是否是自己.

采用条件变量+互斥锁实现生产者消费者模型:

运行结果:

阻塞队列+生产者消费者

运行结果:

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