同步方式有：1、互斥鎖，是一個特殊全局變量，擁有l(wèi)ock和unlock兩種狀態(tài)，unlock互斥鎖可由某個線程獲得，當(dāng)互斥鎖由某個線程持有后，這個互斥鎖會鎖上變成lock狀態(tài)，此后只有該線程有權(quán)力打開該鎖；2、自旋鎖，就是一個死循環(huán)，不停的輪詢；3、信號量，是一個計數(shù)器，用于控制訪問有限共享資源的線程數(shù)；4、條件變量；5、讀寫鎖；6、屏障，是用戶協(xié)調(diào)多個線程并行工作的同步機制。
本教程操作環(huán)境：linux7.3系統(tǒng)、Dell G3電腦。
線程同步指的是當(dāng)一個線程在對某個臨界資源進行操作時，其他線程都不可以對這個資源進行操作，直到該線程完成操作，其他線程才能操作，也就是協(xié)同步調(diào)，讓線程按預(yù)定的先后次序進行運行。線程同步的方法有6種：互斥鎖、自旋鎖、信號量、條件變量、讀寫鎖、屏障。
linux線程同步的方法
#include<stdio.h> #include<pthread.h> int?ticket_num=10000000; void?*sell_ticket(void?*arg)?{ ????while(ticket_num>0)?{ ticket_num--; ????} } int?main()?{ ????pthread_t?t1,t2,t3; ????pthread_create(&t1,?NULL,?&sell_ticket,?NULL); ????pthread_create(&t2,?NULL,?&sell_ticket,?NULL); ????pthread_create(&t3,?NULL,?&sell_ticket,?NULL); ????pthread_join(t1,?NULL); ????pthread_join(t2,?NULL); ????pthread_join(t3,?NULL); ????printf("ticket_num=%dn",?ticket_num); ????return?0; }</pthread.h></stdio.h>
運行結(jié)果如下：
#?gcc?no_lock_demo.c?-o?no_lock_demo.out?-pthread #?./no_lock_demo.out? ticket_num=-2
最后運行的結(jié)果不是固定的，有可能是0、-1，如果有這個ticket_num變量代表是庫存的話，那么就會出現(xiàn)庫存為負數(shù)的情況，所以需要引入線程同步來保證線程安全。
Linux下提供了多種方式來處理線程同步，最常用的是互斥鎖、自旋鎖、信號量。
1、互斥鎖
互斥鎖本質(zhì)就是一個特殊的全局變量，擁有l(wèi)ock和unlock兩種狀態(tài)，unlock的互斥鎖可以由某個線程獲得，當(dāng)互斥鎖由某個線程持有后，這個互斥鎖會鎖上變成lock狀態(tài)，此后只有該線程有權(quán)力打開該鎖，其他想要獲得該互斥鎖的線程都會阻塞，直到互斥鎖被解鎖。
互斥鎖的類型：
-
普通鎖（PTHREAD_MUTEX_NORMAL）：互斥鎖默認類型。當(dāng)一個線程對一個普通鎖加鎖以后，其余請求該鎖的線程將形成一個 等待隊列，并在該鎖解鎖后按照優(yōu)先級獲得它，這種鎖類型保證了資源分配的公平性。一個 線程如果對一個已經(jīng)加鎖的普通鎖再次加鎖，將引發(fā)死鎖；對一個已經(jīng)被其他線程加鎖的普 通鎖解鎖，或者對一個已經(jīng)解鎖的普通鎖再次解鎖，將導(dǎo)致不可預(yù)期的后果。
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檢錯鎖（PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK）：一個線程如果對一個已經(jīng)加鎖的檢錯鎖再次加鎖，則加鎖操作返回EDEADLK；對一個已 經(jīng)被其他線程加鎖的檢錯鎖解鎖或者對一個已經(jīng)解鎖的檢錯鎖再次解鎖，則解鎖操作返回 EPERM。
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嵌套鎖（PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE）：該鎖允許一個線程在釋放鎖之前多次對它加鎖而不發(fā)生死鎖；其他線程要獲得這個鎖，則當(dāng)前鎖的擁有者必須執(zhí)行多次解鎖操作；對一個已經(jīng)被其他線程加鎖的嵌套鎖解鎖，或者對一個已經(jīng)解鎖的嵌套鎖再次解鎖，則解鎖操作返回EPERM。
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默認鎖（PTHREAD_MUTEX_ DEFAULT）：一個線程如果對一個已經(jīng)加鎖的默認鎖再次加鎖，或者雖一個已經(jīng)被其他線程加鎖的默 認鎖解鎖，或者對一個解鎖的默認鎖解鎖，將導(dǎo)致不可預(yù)期的后果；這種鎖實現(xiàn)的時候可能 被映射成上述三種鎖之一。
相關(guān)方法：
//?靜態(tài)方式創(chuàng)建互斥鎖 pthread_mutex_t?mutex?=?PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER?? //?動態(tài)方式創(chuàng)建互斥鎖，其中參數(shù)mutexattr用于指定互斥鎖的類型，具體類型見上面四種，如果為NULL，就是普通鎖。 int?pthread_mutex_init?(pthread_mutex_t*?mutex,const?pthread_mutexattr_t*?mutexattr); int?pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t?*mutex);?//?加鎖，阻塞 int?pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t?*mutex);?//?嘗試加鎖，非阻塞 int?pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t?*mutex);?//?解鎖
例子：
#include<stdio.h> #include<pthread.h> int?ticket_num=10000000; pthread_mutex_t?mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; void?*sell_ticket(void?*arg)?{ ????while(ticket_num>0)?{ pthread_mutex_lock(&mutex); if(ticket_num>0)?{ ????ticket_num--; } pthread_mutex_unlock(&mutex); ????} } int?main()?{ ????pthread_t?t1,t2,t3; ????pthread_create(&t1,?NULL,?&sell_ticket,?NULL); ????pthread_create(&t2,?NULL,?&sell_ticket,?NULL); ????pthread_create(&t3,?NULL,?&sell_ticket,?NULL); ????pthread_join(t1,?NULL); ????pthread_join(t2,?NULL); ????pthread_join(t3,?NULL); ????printf("ticket_num=%dn",?ticket_num); ????return?0; }</pthread.h></stdio.h>
2、自旋鎖
自旋鎖顧名思義就是一個死循環(huán)，不停的輪詢，當(dāng)一個線程未獲得自旋鎖時，不會像互斥鎖一樣進入阻塞休眠狀態(tài)，而是不停的輪詢獲取鎖，如果自旋鎖能夠很快被釋放，那么性能就會很高，如果自旋鎖長時間不能夠被釋放，甚至里面還有大量的IO阻塞，就會導(dǎo)致其他獲取鎖的線程一直空輪詢，導(dǎo)致CPU使用率達到100%，特別CPU時間。
相關(guān)方法：
int?pthread_spin_init(pthread_spinlock_t?*lock,?int?pshared)??//?創(chuàng)建自旋鎖 int?pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t?*lock)??//?加鎖，阻塞 int?pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t?*lock)??//?嘗試加鎖，非阻塞 int?pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t?*lock)??//?解鎖
例子：
#include<stdio.h> #include<pthread.h> int?ticket_num=10000000; pthread_spinlock_t?spinlock; void?*sell_ticket(void?*arg)?{ ????while(ticket_num>0)?{ pthread_spin_lock(&spinlock); if(ticket_num>0)?{ ????ticket_num--; } pthread_spin_unlock(&spinlock); ????} } int?main()?{ ????pthread_spin_init(&spinlock,?0); ????pthread_t?t1,t2,t3; ????pthread_create(&t1,?NULL,?&sell_ticket,?NULL); ????pthread_create(&t2,?NULL,?&sell_ticket,?NULL); ????pthread_create(&t3,?NULL,?&sell_ticket,?NULL); ????pthread_join(t1,?NULL); ????pthread_join(t2,?NULL); ????pthread_join(t3,?NULL); ????printf("ticket_num=%dn",?ticket_num); ????return?0; }</pthread.h></stdio.h>
3、信號量
信號量是一個計數(shù)器，用于控制訪問有限共享資源的線程數(shù)。
相關(guān)方法：
//?創(chuàng)建信號量 //?pshared：一般取0，表示調(diào)用進程的信號量。非0表示該信號量可以共享內(nèi)存的方式，為多個進程所共享(Linux暫不支持)。 //?value：信號量的初始值，可以并發(fā)訪問的線程數(shù)。 int?sem_init?(sem_t*?sem,?int?pshared,?unsigned?int?value); int?sem_wait?(sem_t*?sem);?//?信號量減1，信號量為0時就會阻塞 int?sem_trywait?(sem_t*?sem);?//?信號量減1，信號量為0時返回-1，不阻塞 int?sem_timedwait?(sem_t*?sem,?const?struct?timespec*?abs_timeout);?//?信號量減1，信號量為0時阻塞，直到abs_timeout超時返回-1 int?sem_post?(sem_t*?sem);?//?信號量加1
例子：
#include<stdio.h> #include<pthread.h> #include?<semaphore.h> int?ticket_num=10000000; sem_t?sem; void?*sell_ticket(void?*arg)?{ ????while(ticket_num>0)?{ sem_wait(&sem); if(ticket_num>0)?{ ????ticket_num--; } sem_post(&sem); ????} } int?main()?{ ????sem_init(&sem,?0,?1);?//?value=1表示最多1個線程同時訪問共享資源，與互斥量等價 ????pthread_t?t1,t2,t3; ????pthread_create(&t1,?NULL,?&sell_ticket,?NULL); ????pthread_create(&t2,?NULL,?&sell_ticket,?NULL); ????pthread_create(&t3,?NULL,?&sell_ticket,?NULL); ????pthread_join(t1,?NULL); ????pthread_join(t2,?NULL); ????pthread_join(t3,?NULL); ????printf("ticket_num=%dn",?ticket_num); ????return?0; }</semaphore.h></pthread.h></stdio.h>
4、條件變量
條件變量可以讓調(diào)用線程在滿足特定條件的情況下運行，不滿足條件時阻塞等待被喚醒，必須與互斥鎖搭配使用。
條件變量常用于生產(chǎn)者與消費者模型。
相關(guān)方法：
pthread_cond_t?cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER;?//?創(chuàng)建條件變量，一個互斥鎖可以對應(yīng)多個條件變量 int?pthread_cond_wait?(pthread_cond_t*?cond,pthread_mutex_t*?mutex);?//?阻塞等待條件滿足，同時釋放互斥鎖mutex int?pthread_cond_timedwait?(pthread_cond_t*?cond, ????pthread_mutex_t*?mutex, ????const?struct?timespec*?abstime);?//?帶超時的阻塞等待條件滿足，同時釋放互斥鎖mutex //?從條件變量cond中喚出一個線程，令其重新獲得原先的互斥鎖 //?被喚出的線程此刻將從pthread_cond_wait函數(shù)中返回，但如果該線程無法獲得原先的鎖，則會繼續(xù)阻塞在加鎖上。 int?pthread_cond_signal?(pthread_cond_t*?cond); //?從條件變量cond中喚出所有線程 int?pthread_cond_broadcast?(pthread_cond_t*?cond);
例子：
#include<stdio.h> #include<pthread.h> int?max_buffer=10; int?count=0; pthread_mutex_t?mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; pthread_cond_t?notempty=PTHREAD_COND_INITIALIZER; pthread_cond_t?notfull=PTHREAD_COND_INITIALIZER; void?*produce(void?*args)?{ ????while(1)?{ ????????pthread_mutex_lock(&mutex); ????????while(count?==?max_buffer)?{ ????????????printf("buffer?is?full,?wait...n"); ????????????pthread_cond_wait(&notfull,?&mutex); ????????} ????????printf("produce?...n"); ????????count++; ????????sleep(1); ????????pthread_cond_signal(&notempty); ????????pthread_mutex_unlock(&mutex); ????} } void?*consumer(void?*args)?{ ????while(1)?{ ????????pthread_mutex_lock(&mutex); ????????while(count?==?0)?{ ????????????printf("buffer?is?empty,?wait...n"); ????????????pthread_cond_wait(&notempty,?&mutex); ????????} ????????printf("consumer?...n"); ????????count--; ????????sleep(1); ????????pthread_cond_signal(&notfull); ????????pthread_mutex_unlock(&mutex); ????} } int?main()?{ ????pthread_t?t1,t2,t3,t4; ????pthread_create(&t1,?NULL,?&produce,?NULL); ????pthread_create(&t2,?NULL,?&produce,?NULL); ????pthread_create(&t3,?NULL,?&consumer,?NULL); ????pthread_create(&t4,?NULL,?&consumer,?NULL); ????pthread_join(t1,?NULL); ????return?0; }</pthread.h></stdio.h>
5、讀寫鎖
讀寫鎖可以有三種狀態(tài)：讀模式下加鎖狀態(tài)，寫模式下加鎖狀態(tài)，不加鎖狀態(tài)。一次只有一個線程可以占有寫模式的讀寫鎖，但是多個線程可以同時占有讀模式的讀寫鎖。讀寫鎖也叫做共享-獨占鎖，當(dāng)讀寫鎖以讀模式鎖住時，它是以共享模式鎖住的，當(dāng)它以寫模式鎖住時，它是以獨占模式鎖住的，讀讀共享，讀寫互斥。
相關(guān)方法：
//?創(chuàng)建讀寫鎖 pthread_rwlock_t?rwlock=PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER; int?pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t?*rwlock)??//?加讀鎖，阻塞 int?pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t?*rwlock)??//?加寫鎖，阻塞 int?pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t?*rwlock)??//?釋放讀鎖或者寫鎖 int?pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t?*rwlock)??//?嘗試加讀鎖，非阻塞 int?pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t?*rwlock)??//?嘗試加寫鎖，非阻塞
例子：
#include?<stdio.h> #include?<pthread.h> pthread_rwlock_t?rwlock=PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER; void?*read(void?*arg)?{ ????while(1)?{ ????????pthread_rwlock_rdlock(&rwlock); ????????rintf("read?message.n"); ????????sleep(1); ????????pthread_rwlock_unlock(&rwlock); ????????sleep(1); ????} } void?*write(void?*arg)?{ ????while(1)?{ ????????pthread_rwlock_wrlock(&rwlock); ????????printf("write?message.n"); ????????sleep(1); ????????pthread_rwlock_unlock(&rwlock); ????????sleep(1); ????} } int?main(int?argc,char?*argv[])?{ ????pthread_t?t1,t2,t3; ????pthread_create(&t1,?NULL,?&read,?NULL); ????pthread_create(&t2,?NULL,?&read,?NULL); ????pthread_create(&t3,?NULL,?&write,?NULL); ????pthread_join(t1,?NULL); ????return?0; }</pthread.h></stdio.h>
6、屏障
屏障（barrier)是用戶協(xié)調(diào)多個線程并行工作的同步機制。屏障允許每個線程等待，直到所有的合作線程都到達某一點，然后所有線程都從該點繼續(xù)執(zhí)行。pthread_join函數(shù)就是一種屏障，允許一個線程等待，直到另一個線程退出。但屏障對象的概念更廣，允許任意數(shù)量的線程等待，直到所有的線程完成處理工作，而線程不需要退出，當(dāng)所有的線程達到屏障后可以接著工作。
相關(guān)方法：
//?創(chuàng)建屏障 int?pthread_barrier_init(pthread_barrier_t?*barrier,const?pthread_barrrierattr_t?*attr,unsigned?int?count) //?阻塞等待，直到所有線程都到達 int?pthread_barrier_wait(pthread_barrier_t?*barrier)
例子：
#include?<stdio.h> #include?<pthread.h> pthread_barrier_t?barrier; void?*go(void?*arg){ ????sleep?(rand?()?%?10); ????printf("%lu?is?arrived.n",?pthread_self()); ????pthread_barrier_wait(&barrier); ????printf("%lu?go?shopping...n",?pthread_self()); } int?main()?{ ????pthread_barrier_init(&barrier,?NULL,?3); ????pthread_t?t1,t2,t3; ????pthread_create(&t1,?NULL,?&go,?NULL); ????pthread_create(&t2,?NULL,?&go,?NULL); ????pthread_create(&t3,?NULL,?&go,?NULL); ????pthread_join(t1,?NULL); ????return?0; }</pthread.h></stdio.h>
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