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条件变量本身不是锁#xff01;但它也可以造成线程阻塞。通常与互斥锁配合使用。给多线程提供一个会合的场所。
主要应用函数#xff1a;
pthread_cond_init 函数pthread_cond_destroy 函数pthread_cond_wait 函数pthread_cond_timedwait 函数pthread_cond_signa…条件变量
条件变量本身不是锁但它也可以造成线程阻塞。通常与互斥锁配合使用。给多线程提供一个会合的场所。
主要应用函数
pthread_cond_init 函数pthread_cond_destroy 函数pthread_cond_wait 函数pthread_cond_timedwait 函数pthread_cond_signal 函数pthread_cond_broadcast 函数以上 6 个函数的返回值都是成功返回 0 失败直接返回错误号。pthread_cond_t 类型 用于定义条件变量pthread_cond_tcond;
pthread_cond_init 函数
初始化一个条件变量 int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrictcond,const pthread_condattr_t *restrictattr); 参 2attr 表条件变量属性通常为默认值传 NULL 即可 也可以使用静态初始化的方法初始化条件变量
pthread_cond_t condPTHREAD_COND_INITIALIZER;pthread_cond_destroy 函数
销毁一个条件变量
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);pthread_cond_wait 函数
阻塞等待一个条件变量
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrictcond,pthread_mutex_t *restrictmutex);函数作用
阻塞等待条件变量 cond参 1满足释放已掌握的互斥锁解锁互斥量相当于 pthread_mutex_unlock(mutex);1.2.两步为一个原子操作。当被唤醒pthread_cond_wait 函数返回时解除阻塞并重新申请获取互斥锁 pthread_mutex_lock(mutex);
pthread_cond_timedwait 函数
限时等待一个条件变量
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrictabstime);参 3 参看 mansem_timedwait 函数查看 struct timespec 结构体。
struct timespec{time_t tv_sec; /*seconds*/ 秒long tv_nsec; /*nanosecondes*/ 纳秒 } 形参 abstime绝对时间。 如time(NULL)返回的就是绝对时间。 而 alarm(1)是相对时间相对当前时间定时 1 秒钟。
struct timespect{1,0};
pthread_cond_timedwait(cond,mutex,t); 只能定时到 1970 年 1 月 1 日 00:00:01 秒(早已经过去) 正确用法
time_tcurtime(NULL); 获取当前时间。structtimespect; 定义 timespec 结构体变量 tt.tv_seccur1; 定时 1 秒pthread_cond_timedwait(cond,mutex,t); 传参 setitimer 函数还有另外一种时间类型 struct timeval{time_t tv_sec; /*seconds*/ 秒 suseconds_ttv_usec; /*microseconds*/ 微秒};pthread_cond_signal 函数
唤醒至少一个阻塞在条件变量上的线程
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t*cond);pthread_cond_broadcast 函数
唤醒全部阻塞在条件变量上的线程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t*cond);生产者消费者条件变量模型
线程同步典型的案例即为生产者消费者模型而借助条件变量来实现这一模型是比较常见的一种方法。假定 有两个线程一个模拟生产者行为一个模拟消费者行为。两个线程同时操作一个共享资源一般称之为汇聚 生产向其中添加产品消费者从中消费掉产品。 /*借助条件变量模拟 生产者--消费者问题*/
#includestdio.h
#includeunistd.h
#includepthread.h
#includestdio.h
#includestring.h
/*链表作为共享数据需要被互斥量保护*/
struct msg{struct msg *next;int num;
};struct msg *head;
struct msg *mp;/*静态初始化 一个条件变量 和一个互斥量*/
pthread_cond_t has_product PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t lock PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;void *consumer(void *p)
{for(;;){pthread_mutex_lock(lock); //头指针为空说明没有结点 while(head NULL){pthread_cond_wait(has_product,lock); //判断条件变量是否满足}mp head;head mp-next; //模拟消费掉一个产品pthread_mutex_unlock(lock);printf(---Consume ---%d\n,mp-num);free(mp);sleep(rand() % 5);}
}
void *producer()
{for(;;){mp malloc(sizeof(struct msg));mp-num rand() % 1000 1; //模拟生产一个产品printf(--Produce ---%d\n,mp-num);pthread_mutex_lock(lock);mp-nexthead; //头插法head mp;pthread_mutex_unlock(lock); //释放pthread_cond_signal(has_product); //将等待在该条件变量上的一个线程唤醒sleep(rand() % 5);}
}int main(int argc,char *argv[])
{pthread_t pid,cid; //pid生产者ID cid消费者IDsrand(time(NULL));pthread_create(pid,NULL,producer,NULL); //生产者pthread_create(cid,NULL,consumer,NULL); //消费者pthread_join(pid,NULL);pthread_join(cid,NULL);return 0;
} 条件变量是搭配互斥锁一起使用的
因为条件变量实现同步只提供等待与唤醒功能并没有提供条件判断的功能因此条件判断需要用户实现但是条件的操作是一个临界资源的操作因此需要受保护需要在条件判断之前加锁如果加锁成功后因为条件不满足而陷入休眠就会导致卡死因为另一方因为无法获取锁而导致无法促使条件满足因此需要在休眠之前解锁并且解锁与休眠必须是原子操作被唤醒之后即将对临界资源进行操作但是被操作前还要进行保护加锁所以pthread_cond_wait集合了三步原子操作解锁–等待–被唤醒后加锁
条件变量的优点
相较于 mutex 而言条件变量可以减少竞争。如直接使用 mutex除了生产者、消费者之间要竞争互斥量以外消费者之间也需要竞争互斥量但如果汇聚 链表中没有数据消费者之间竞争互斥锁是无意义的。有了条件变量机制以后只有生产者完成生产才会引 起消费者之间的竞争。提高了程序效率。
生产者与消费者模型线程安全队列
一个场所两种角色三种关系
功能
解耦和两个关系之间紧密支持忙闲不均支持并发
三者关系
生产者–生产者互斥 消费者–消费者互斥 生产者–消费者同步互斥 /*生产者与消费者模型队列实现 * 1.实现线程安全的队列对外提供线程安全的数据入队和出队操作* 2.创建线程分别作为生产者与消费者数据入队或数据出队*/#includeiostream
#includequeue
#includepthread.h#define MAX_QUEUE 10
class BlockQueue
{public:BlockQueue(int cap MAX_QUEUE):_capacity(cap){//初始化队列pthread_mutex_init(_mutex,NULL);pthread_cond_init(_cond_con,NULL);pthread_cond_init(_cond_pro,NULL);} ~BlockQueue(){pthread_mutex_destroy(_mutex);pthread_cond_destroy(_cond_con);pthread_cond_destroy(_cond_pro);} //入队void QueuePush(int data){QueueLock();while(QueueIsFull()){ //队列满了ProWait(); //生产者等待} _queue.push(data);ConWakeUp();QueueUnLock();} void QueuePop(int *data){QueueLock();while(QueueIsEmpty()){ConWait();} *data _queue.front();//获取队列头结点_queue.pop();//结点出队ProWakeUp();QueueUnLock();}private://队列加锁void QueueLock(){pthread_mutex_lock(_mutex);}//队列解锁void QueueUnLock(){pthread_mutex_unlock(_mutex);}//消费者等待void ConWait(){pthread_cond_wait(_cond_con,_mutex);}//消费者唤醒void ConWakeUp(){pthread_cond_signal(_cond_con);}//生产者等待void ProWait(){pthread_cond_wait(_cond_pro,_mutex);}//生产者唤醒void ProWakeUp(){pthread_cond_signal(_cond_pro);}//判断队列是否为空bool QueueIsFull(){return (_capacity _queue.size());}//队列是否是满的bool QueueIsEmpty(){return _queue.empty();}private:std::queueint_queue;//创建队列int _capacity;//队列结点最大数量 //线程安全实现成员pthread_mutex_t _mutex;pthread_cond_t _cond_pro;pthread_cond_t _cond_con;
};void *thr_consumer(void *arg){BlockQueue *q (BlockQueue *)arg;while(1){int data;q-QueuePop(data);std::coutconsumerpthread_self() get data: data std::endl;}return NULL;
}int i 0; //必须受保护
pthread_mutex_t mutex;void *thr_productor(void *arg){BlockQueue *q (BlockQueue *)arg;while(1){pthread_mutex_lock(mutex);q-QueuePush(i);pthread_mutex_unlock(mutex);std::coutproductor: pthread_self() put data: i std::endl;}return NULL;
}int main(int argc,char *argv[])
{BlockQueue q;pthread_t ctid[4],ptid[4];int i,ret;pthread_mutex_init(mutex,NULL);for(i 0;i 4; i){ ret pthread_create(ctid[i],NULL,thr_consumer,(void *)q);if(ret ! 0){std::coutpthread create error\n;return -1;}}for(i 0;i 4; i){ret pthread_create(ptid[i],NULL,thr_productor,(void *)q);if(ret ! 0){std::coutpthread create error\n;return -1;}}for(i 0;i 4; i){pthread_join(ctid[i],NULL);} for(i 0; i 4;i){pthread_join(ptid[i],NULL);}return 0;
}信号量
进化版的互斥锁1–N 由于互斥锁的粒度比较大如果我们希望在多个线程间对某一对象的部分数据进行共享使用互斥锁是没有办 法实现的只能将整个数据对象锁住。这样虽然达到了多线程操作共享数据时保证数据正确性的目的却无形中导 致线程的并发性下降。线程从并行执行变成了串行执行。与直接使用单进程无异。 信号量是相对折中的一种处理方式既能保证同步数据不混乱又能提高线程并发。
计数器等待队列等待与唤醒功能
通过自身的计数器实现条件判断当前条件满足时则直接返回并且计数-1.当条件并不满足时则阻塞当产生资源后通过信号量的唤醒功能唤醒等待并且计数1
信号量和条件变量实现同步的区别
信号量的条件判断由自身来完成而条件变量的条件判断由用户完成信号量并不搭配互斥锁使用而条件变量需要搭配互斥锁一起使用保护条件的改变
sem_init 函数
初始化一个信号量 int sem_init(sem_t *sem,int pshared,unsigned int value); 参 1sem 信号量 参 2pshared 取 0 用于线程间取非 0一般为 1用于进程间 参 3value 指定信号量初值
sem_destroy 函数
销毁一个信号量
int sem_destroy(sem_t *sem);sem_wait 函数
给信号量加锁 对计数进行判断计数0则阻塞否则立即返回流程继续计数-1
int sem_wait(sem_t *sem);sem_post 函数
给信号量解锁 对计数进行1并且唤醒等到的线程 int sem_post(sem_t *sem);sem_trywait 函数
尝试对信号量加锁 (与 sem_wait 的区别类比 lock 和 trylock) int sem_trywait(sem_t *sem);sem_timedwait 函数
限时尝试对信号量加锁
int sem_timedwait(sem_t *sem,const struct timespec *abs_timeout); 参 2abs_timeout 采用的是绝对时间。 定时 1 秒
time_tcurtime(NULL); 获取当前时间。
structtimespect; 定义 timespec 结构体变量 t
t.tv_seccur1; 定时 1 秒
t.tv_nsect.tv_sec100;
sem_timedwait(sem,t); 传参使用信号量实现生产者与消费者模型 /*使用信号量实现生产者与消费者模型**/#includeiostream
#includequeue
#includepthread.h
#includesemaphore.hclass RingQueue
{public:RingQueue(int cap 10):_capacity(cap),_queue(cap){//1.信号量变量//2.参数取值 0用于线程间同步与互斥// 非0用于进程间同步与互斥//3.信号量初值sem_init(_sem_lock,0,1);//互斥锁初始值只给1sem_init(_sem_data,0,0);//初始数据资源数据为0sem_init(_sem_space,0,cap);//初始空闲空间计数} ~RingQueue(){sem_destroy(_sem_lock);sem_destroy(_sem_data);sem_destroy(_sem_space);} void QueuePush(int data){// ProWait();//空闲空间计数判断是否有空闲空间若有返回否则等待// 因为已经通过_sem_space的空闲空间计数知道是否有空闲空间sem_wait(_sem_space);//添加数据之后空闲空间计数-1sem_wait(_sem_lock);//锁计数初始为1一旦进入-1加锁_queue[_step_write]data; _step_write ( _step_write 1) % _capacity;sem_post(_sem_lock);//数据添加完毕后解锁数据资源计数1sem_post(_sem_data);//数据添加完毕后数据资源计数1//ConWakeUp();} void QueuePop(int *data){sem_wait(_sem_data);//取数据的时候数据资源计数-1sem_wait(_sem_lock);//锁最好仅仅保护临界区*data _queue[_step_read];_step_read (_step_read 1) % _capacity;sem_post(_sem_lock);sem_post(_sem_space);//取数据之后空闲空间计数!}private:std::vectorint_queue;int _capacity; //队列最大数量int _step_write;//当前写到哪里的下标int _step_read;//当前读到哪里了的下标sem_t _sem_lock;//实现互斥锁sem_t _sem_space;//空闲空间计数sem_t _sem_data;//数据资源计数/*//队列加锁void QueueLock(){pthread_mutex_lock(_mutex);}//队列解锁void QueueUnLock(){pthread_mutex_unlock(_mutex);}*/
};
void *thr_productor(void *arg){ RingQueue *q (RingQueue*)arg;int i0;while(1){q-QueuePush(i);std::coutthread:pthread_self()put datai\n;}return NULL;
}void *thr_consumer(void *arg){RingQueue *q (RingQueue*)arg;while(1){int data;q-QueuePop(data);std::coutthread:pthread_self()get datadata\n;}return NULL;
}int main(int argc,char *argv[])
{RingQueue q;pthread_t ptid,ctid[4];int i ,ret;ret pthread_create(ptid,NULL,thr_productor,(void *)q);if(ret ! 0){std::coutthread create error\n;return -1;}for(i 0;i 4;i){ret pthread_create(ctid[i],NULL,thr_consumer,(void *)q);if(ret ! 0){std::coutthread create error\n;return -1;}}for(i 0; i 4; i){pthread_join(ctid[i],NULL);}pthread_join(ptid,NULL);return 0;
}
