Linux系統中線程同步方式中的條件變量方法

? ? 大家好，我是ST。

? ? 今天主要和大家聊一聊，如何使用Linux中線程同步方式中的條件變量。

第一：條件變量基本簡介

? ??條件變量是線程可用的另一種同步機制，條件變量用于自動阻塞線程，知道某個特定事件或某個條件滿足為止，通常情況下，條件變量是和互斥鎖一起搭配使用的。使用條件變量主要包括兩個動作：

1、一個線程等待某個條件滿足而被阻塞。

2、另一個線程中，條件滿足時發出“信號”。

? ??例子：為了說明這個問題，來看一個沒有使用條件變量的例子，生產者---消費者模式，生產者這邊負責生產產品、而消費者負責消費產品，對于消費者來說，沒有產品的時候只能等待產品出來，有產品就使用它。

? ?? 這里我們使用一個變量來表示這個產品，生產者生產一件產品變量加1，消費者消費一次變量減1.

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
static pthread_mutex_t mutex;
static int g_avail = 0;
/* 消費者線程 */
static void *consumer_thread(void *arg)
{
 for ( ; ; ) {
 pthread_mutex_lock(&mutex);//上鎖
 while (g_avail > 0)
 g_avail--; //消費
 pthread_mutex_unlock(&mutex);//解鎖
 }
 return (void *)0;
}
/* 主線程（生產者） */
int main(int argc, char *argv[])
{
 pthread_t tid;
 int ret;
 /* 初始化互斥鎖 */
 pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
 /* 創建新線程 */
 ret = pthread_create(&tid, NULL, consumer_thread, NULL);
 if (ret) {
 fprintf(stderr, "pthread_create error: %s
", strerror(ret));
 exit(-1);
 }
?for(;;){
???pthread_mutex_lock(&mutex);  //上鎖
???g_avail++;  //生產
???pthread_mutex_unlock(&mutex); //解鎖
?}
?exit(0);
?}? ?

分析：上述代碼雖然可行，但由于新線程中會不停的循環檢查全局變量 g_avail 是否大于 0，故而造成 CPU 資源的浪費。采用條件變量這一問題就可以迎刃而解。

第二：條件變量初始化方法

? ??條件變量使用pthread_cond_t數據類型來表示，在使用條件變量之前必須對其進行初始化。

? ? pthread_cond_init()函數原型如下所示：

#include 
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr);

? ?同樣，使用這些函數需要包含頭文件,使用pthread_cond_init()函數初始化條件變量，當不再使用時，使用pthread_cond_destroy()銷毀條件變量。

? ? ??參數cond指向pthread_cond_t條件變量對象，對于pthread_cond_init()函數，類似于互斥鎖，在初始化條件變量時設置條件變量的屬性，參數 attr 指向一個 pthread_condattr_t 類型對象，pthread_condattr_t 數據類型用于描述條件變量的屬性?？蓪?attr 設置為 NULL，表示使用屬性的默認值來初始化條件變量，與使用 PTHREAD_COND_INITIALIZER 宏相同。

? ? ? 函數調用成功返回0，失敗將返回一個非0值的錯誤碼。

使用注意：

1、在使用條件變量之前必須對條件變量進行初始化操作，使用 PTHREAD_COND_INITIALIZER 宏或者函數 pthread_cond_init()都行；

2、對已經初始化的條件變量再次進行初始化，將可能會導致未定義行為；

3、對沒有進行初始化的條件變量進行銷毀，也將可能導致未定義行為；

4、對某個條件變量而言，僅當沒有任何線程等待它時，將其銷毀才是最安全

第三：通知和等待條件變量

? ? 條件變量的主要操作便是發送信號（signal）和等待。發送信號操作即是通知一個或多個處于等待狀態的線程，某個共享變量的狀態已經改變，這些處于等待狀態的線程收到通知之后便會被喚醒，喚醒之后再檢查條件是否滿足。等待操作是指在收到一個通知前一直處于阻塞狀態。

? ? ?函數pthread_cond_signal()和pthread_cond_broadcast()均可向指定的條件變量發送信號，通知一個或多個處于等待狀態的線程。調用pthread_cond_wait()函數是線程阻塞，直到收到條件變量的通知。

? ? ?pthread_cond_signal()和 pthread_cond_broadcast()函數原型如下所示：

#include 
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

? ? ? 當程序當中使用條件變量，當判斷某個條件不滿足時，調用 pthread_cond_wait()函數將線程設置為等待狀態（阻塞）。pthread_cond_wait()函數包含兩個參數：

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

? ??cond：指向需要等待的條件變量，目標條件變量；?

? ? mutex：參數 mutex 是一個 pthread_mutex_t 類型指針，指向一個互斥鎖對象；前面開頭便給大家介紹了，條件變量通常是和互斥鎖一起使用，因為條件的檢測（條件檢測通常是需要訪問共享資源的）是在互斥鎖的保護下進行的，也就是說條件本身是由互斥鎖保護的。

返回值：調用成功返回 0；失敗將返回一個非 0 值的錯誤碼。

在 pthread_cond_wait()函數內部會對參數 mutex 所指定的互斥鎖進行操作，通常情況下，條件判斷以及pthread_cond_wait()函數調用均在互斥鎖的保護下，也就是說，在此之前線程已經對互斥鎖加鎖了。調用pthread_cond_wait()函數時，調用者把互斥鎖傳遞給函數，函數會自動把調用線程放到等待條件的線程列表上，然后將互斥鎖解鎖；當 pthread_cond_wait()被喚醒返回時，會再次鎖住互斥鎖。

代碼實例：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
static pthread_mutex_t mutex; //定義互斥鎖
static pthread_cond_t cond; //定義條件變量
static int g_avail = 0; //全局共享資源
/* 消費者線程 */
static void *consumer_thread(void *arg)
{
 for ( ; ; ) {
 pthread_mutex_lock(&mutex);//上鎖
 while (0 >= g_avail)
 pthread_cond_wait(&cond, &mutex);//等待條件滿足
 while (0 < g_avail)
 g_avail--; //消費
 pthread_mutex_unlock(&mutex);//解鎖
 }
 return (void *)0;
}
/* 主線程（生產者） */
int main(int argc, char *argv[])
{
 pthread_t tid;
 int ret;
 /* 初始化互斥鎖和條件變量 */
 pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
 pthread_cond_init(&cond, NULL);
 /* 創建新線程 */
 ret = pthread_create(&tid, NULL, consumer_thread, NULL);
 if (ret) {
 fprintf(stderr, "pthread_create error: %s
", strerror(ret));
 exit(-1);
 }
 for ( ; ; ) {
 pthread_mutex_lock(&mutex);//上鎖
 g_avail++; //生產
 pthread_mutex_unlock(&mutex);//解鎖
 pthread_cond_signal(&cond);//向條件變量發送信號
 }
 exit(0);
}

? ??全局變量 g_avail 作為主線程和新線程之間的共享資源，兩個線程在訪問它們之間首先會對互斥鎖進行上鎖，消費者線程中，當判斷沒有產品可被消費時（g_avail <= 0），調用 pthread_cond_wait()使得線程陷入等待狀態，等待條件變量，等待生產者制造產品；調用 pthread_cond_wait()后線程阻塞并解鎖互斥鎖；而在生產者線程中，它的任務是生產產品（使用g_avail++來模擬），產品生產完成之后，調用pthread_mutex_unlock()將互斥鎖解鎖，并調用 pthread_cond_signal()向條件變量發送信號；這將會喚醒處于等待該條件變量的消費者線程，喚醒之后再次自動獲取互斥鎖，然后再對產品進行消費（g_avai--模擬）。

總結：Linux系統中為了方便線程對共享資源的訪問，條件變量在其中也會發揮重要作用。

　審核編輯：湯梓紅

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