：互斥锁与条件变量，手写生产者消费者模型)
文章目录1、互斥问题1.1、抢票问题1.2、原因分析2、互斥锁2.1、互斥锁接口2.2、互斥锁实现原理2.2.1、硬件实现2.2.2、软件实现3.3、加锁的问题与原则2.3、封装互斥锁3、同步与条件变量3.1、同步与条件变量的概念3.2、条件变量接口3.3、封装条件变量4、生产者消费者模型4.1、原理4.2、单生产者单消费者实现5、总结1、互斥问题1.1、抢票问题写一个模拟多线程抢票的代码CCg CFLAGS-g LDFLAGS-lpthread OBJSMain.o #Thread.o code: $(OBJS) $(CC) $(CFLAGS) -o $ $^ $(LDFLAGS) .PHONY: clean clean: rm -rf code *.oMain.cpp#includepthread.h#includeunistd.h#includestdio.h#includestringintticket10000;void*BuyTicket(void*arg){std::string*namestatic_caststd::string*(arg);while(true){if(ticket0){usleep(1000);printf(%s: %d\n,name-c_str(),ticket);ticket--;}else{break;}}pthread_exit(nullptr);}intmain(){pthread_t tid1,tid2,tid3,tid4;std::string name1tid1;std::string name2tid2;std::string name3tid3;std::string name4tid4;pthread_create(tid1,nullptr,BuyTicket,name1);pthread_create(tid2,nullptr,BuyTicket,name2);pthread_create(tid3,nullptr,BuyTicket,name3);pthread_create(tid4,nullptr,BuyTicket,name4);pthread_join(tid1,nullptr);pthread_join(tid2,nullptr);pthread_join(tid3,nullptr);pthread_join(tid4,nullptr);return0;}有10000张票四个线程模拟抢票最终票数会到负数1.2、原因分析原因1在if(ticket 0)这个语句非原子性分为两步从内存读取ticket到寄存器ticket与0比较。在判断后执行ticket--之前线程可能被调取切换当再次调度当前线程ticket已经到0了可是还会执行ticket--。原因2ticket--非原子性操作分为三步从内存加载ticket变量到cpu寄存器寄存器内容减一保存到内存中。当执行到一半线程被切走OS会保存硬件上下文当再次被调度时加载上下文线程看到的ticket是旧的导致数据被覆盖。原因3usleep(1000)模拟抢票行为该函数为会阻塞线程主动让出CPU。usleep、printf等函数会增加线程切换可能性。时钟中断也可能出现在if(ticket 0)判断与ticket--之间。注判断某操作是否原子性最暴力的做法是查看汇编是否一行。2、互斥锁互斥锁的思想任何时刻都只允许一个线程执行临界区代码。其它线程到没有拿到锁会被阻塞。2.1、互斥锁接口互斥锁的类型是pthread_mutex_t。动态初始化锁intpthread_mutex_init(pthread_mutex_t*mutex,constpthread_mutexattr_t*mutexattr);参数mutex需要初始化的锁。mutexattr初始化锁的属性大多数情况直接填空指针使用默认属性即可。静态初始化锁pthread_mutex_tmutexPTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER是一个宏pthread_mutex_init第二个参数传递空指针则属性等于这个宏。静态初始化的宏是一个常量锁存储在静态区编译时确定大小不需要手动销毁。常用于全局变量锁静态变量锁。动态初始化锁是栈上一个变量运行时确定大小需要手动销毁。锁的销毁intpthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t*mutex);返回值成功返回0。失败返回EBUSY当线程持有锁时该函数执行失败。加锁intpthread_mutex_lock(pthread_mutex_t*mutex);返回值成功返回0。当锁没有初始化好旧加锁失败返回EINVAL当已经加锁再次加锁失败返回EDEADLK。尝试加锁intpthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t*mutex);返回值成功返回0。锁被占用失败返回EBUSY锁没有初始化失败返回EINVAL。与直接加锁的区别在于能加就加不能加旧算了。直接加锁时锁被别线程占用会阻塞。解锁intpthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t*mutex);返回值成功返回0。锁没有初始化失败返回EINVAL不是自己加的锁没权限解锁返回EPERM。2.2、互斥锁实现原理2.2.1、硬件实现硬件实现非常简单在加锁时。禁用时钟中断等线程调度行为。直到解锁重新打开这些功能。硬件实现极其危险若忘记写解锁代码或解锁失败则操作系统直接卡死。因此现代操作系统都是采用软件实现。2.2.2、软件实现大多数CPU架构指令集都提供了类似于swap/exchange这样的指令这个指令是原子性的。加锁伪代码lock: movb $0 %al xchgb %al, mutex if(al寄存器内容 0){ return 0; } goto lock;锁的本质就是一个内存中的整数加锁过程清空al寄存器执行完该指令后线程可被切换因为切换前会保存寄存器上下文到线程task_struct中。交换al寄存器内容与内存中变量mutex的值该步骤是原子性。执行完可被切走同理于步骤一当其他线程需要锁时执行xchgb会拿到0。判断al寄存器内容若为1(原mutex为1)则拿到锁加锁成功。若al寄存器为0则没有拿到锁重复lock行为阻塞等待。解锁伪代码unlock: movb $1, mutex return 0解锁过程就是将1写入内存mutex变量。锁是否空闲看的事内存mutex是否为1。若为1则说明锁没有被拿走若为0则说明锁被某线程拿到。3.3、加锁的问题与原则对于抢票代码的解决// 全局锁pthread_mutex_t mutexPTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;void*BuyTicket(void*arg){std::string*namestatic_caststd::string*(arg);while(true){pthread_mutex_lock(mutex);// 加锁if(ticket0){usleep(1000);printf(%s: %d\n,name-c_str(),ticket);ticket--;pthread_mutex_unlock(mutex);// 解锁}else{pthread_mutex_unlock(mutex);// 解锁break;}}pthread_exit(nullptr);}效果加锁后的临界区代码时串行执行的因此会降低效率所以要保证临界区尽量小加锁粒度尽量细。互斥锁本身也是共享资源互斥锁的安全底层是swap/exchange保证的。2.3、封装互斥锁本节源码已经上传至gitee【https://gitee.com/muyi-2580/learning-linux/tree/main/5_24】。以下源码用C封装一个pthread库中的互斥锁然后使用一个类继续封装成RAII风格使其生命周期结束后自动解锁。Mutex.cc#ifndef__MUTEX_H#define__MUTEX_H#includepthread.hclassMutex{private:pthread_mutex_t mutex;public:Mutex(){pthread_mutex_init(mutex,nullptr);}~Mutex(){pthread_mutex_destroy(mutex);}voidLock(){pthread_mutex_lock(mutex);}voidunLock(){pthread_mutex_unlock(mutex);}};// RAII风格封装classMutexGuard{private:Mutexmutex;public:MutexGuard(Mutexmutex):mutex(mutex)// 引用类型只能在初始化列表初始化{mutex.Lock();}~MutexGuard(){mutex.unLock();}};#endifMain.cc#includepthread.h#includeunistd.h#includestring#includeMutex.ccintticket10000;// 全局锁Mutex mutex;void*BuyTicket(void*arg){std::string*namestatic_caststd::string*(arg);while(true){{// 临界区代码// 加锁, RAII风格MutexGuardmg(mutex);if(ticket0){usleep(1000);printf(%s: %d\n,name-c_str(),ticket);ticket--;}else{break;}}}pthread_exit(nullptr);}intmain(){pthread_t tid1,tid2,tid3,tid4;std::string name1tid1;std::string name2tid2;std::string name3tid3;std::string name4tid4;pthread_create(tid1,nullptr,BuyTicket,name1);pthread_create(tid2,nullptr,BuyTicket,name2);pthread_create(tid3,nullptr,BuyTicket,name3);pthread_create(tid4,nullptr,BuyTicket,name4);pthread_join(tid1,nullptr);pthread_join(tid2,nullptr);pthread_join(tid3,nullptr);pthread_join(tid4,nullptr);return0;}构造一个作用域可以提高代码可读性一眼就能看出临界区。3、同步与条件变量3.1、同步与条件变量的概念现有A、B、C三个线程竞争同一互斥锁获得锁的线程执行相关任务。开始A获得锁执行完任务释放锁A再次获得锁执行完任务释放锁A又获得锁……。B、C线程一直处于阻塞状态阻塞状态也会被CPU调度B、C无法完成自己的任务且浪费CPU资源这种情况叫做线程饥饿问题。同步是只多个执行流协同执行的顺序。用人话说就是执行流访问资源按照某总顺序。同步常用条件变量实现。pthread库提供了条件变量条件变量在满足了某个条件时才继续执行。条件变量底层原理是由一种唤醒机制和一个阻塞队列。当收到了其他线程的通知才能由阻塞到继续执行。在使用时一个唤醒 条件应该对应一个条件变量。3.2、条件变量接口条件变量是一个结构体其类型是pthread_cond_t。动态初始化条件变量intpthread_cond_init(pthread_cond_t*cond,pthread_condattr_t*cond_attr);参数cond需要初始化的条件变量。cond_attr初始化条件变量的属性大多数情况下传空指针使用默认属性。静态初始化条件变量pthread_cond_tcondPTHREAD_COND_INITIALIZER;动态初始化的需要手动销毁静态初始化的不需要手动销毁。原因与互斥锁类似。销毁条件变量intpthread_cond_destroy(pthread_cond_t*cond);返回值成功返回0。当还有线程在等待条件变量时失败返回EBUSY。阻塞等待条件变量intpthread_cond_wait(pthread_cond_t*cond,pthread_mutex_t*mutex);当前线程进入阻塞(依然能被调度)等待条件变量的唤醒后再执行。该函数需要传递锁是因为在该函数内部会释放锁让其他线程获得资源。唤醒一个指定的条件变量intpthread_cond_signal(pthread_cond_t*cond);会唤醒一个由该条件变量阻塞的线程具体是哪一个就不确定了。唤醒所有指定的条件变量intpthread_cond_broadcast(pthread_cond_t*cond);3.3、封装条件变量做一个简单封装 4.2节会用到。#ifndef__CONDITION_CC#define__CONDITION_CC#includepthread.hclassCond{public:Cond(){pthread_cond_init(_cond,nullptr);}~Cond(){pthread_cond_destroy(_cond);}voidWait(pthread_mutex_tmutex){pthread_cond_wait(_cond,mutex);}voidSignal(){pthread_cond_signal(_cond);}private:pthread_cond_t _cond;};#endif4、生产者消费者模型4.1、原理生产者消费者模型(Producer-Consumer模型)是一种多线程的经典模型。这个模型中有三种关系生产者-生产者生产者-消费者消费者-消费者。两种角色生产者消费者。一种交易场所共享容器。这个模型中生产者不断生产商品消费者不断消费商品。交易场所能容纳的商品有限。当商品满了或者达到指定数量或者达到容量的百分之九十就不能继续生产了。当没有商品就不能继续消费了。如果使用线程模拟生产者、消费者三种关系生产者-生产者互斥。消费者-消费者互斥。生产者-消费者互斥/同步。这个模型的优势在于1、生产者与消费者线程解耦。2、生产过程可以与消费过程并发进行提高效率。在《管道通信深度剖析从匿名管道到命名管道手写进程池》中的进程池也是一个生产者消费者模型。父进程扮演生产者子进程扮演消费者管道扮演交易场所。4.2、单生产者单消费者实现本节代码依赖【https://gitee.com/muyi-2580/learning-linux/blob/main/5_18/thread.cc】。本节源码已上传至gitee【https://gitee.com/muyi-2580/learning-linux/tree/main/5_25】。Main.cc#includeMutex.cc#includeThread.cc#includeBlockingQueue.cc#includeiostream#includeunistd.hintnum1;BlockingQueueintbq;voidProducerRoutine(){while(1){std::coutproduce: numstd::endl;bq.Enqueue(num);num;// 生产得慢usleep(100000);}pthread_exit(nullptr);}voidConsumerRoutine(){while(1){intdata0;bq.Pop(data);std::coutconsume: datastd::endl;// 消费得快usleep(1000);}pthread_exit(nullptr);}intmain(){ThreadModule::Threadc(ConsumerRoutine);ThreadModule::Threadp(ProducerRoutine);c.start();p.start();c.join();p.join();return0;}BlockingQueue.cc#ifndef__BLOCKING_QUEUE_CC#define__BLOCKING_QUEUE_CC#includeCondition.cc#includequeue#includeMutex.cctemplateclassTclassBlockingQueue{public:BlockingQueue(intcap5):_capacity(cap){}~BlockingQueue(){}voidEnqueue(Tin)// 生产者数据入队列{{_mutex.Lock();while(_que.size()_capacity){// 满了生产者等待_ProducerCond.Wait(_mutex.getMutex());}// 数据入队_que.push(in);// 通知消费者消费if(_que.size()_capacity)_ConsumerCond.Signal();_mutex.unLock();}}voidPop(T*out)// 消费者数据出队列{{_mutex.Lock();if(_que.empty()){// 没有数据消费者等待_ConsumerCond.Wait(_mutex.getMutex());}// 消费(获取)数据*out_que.front();_que.pop();// 如果队空通知生产者生产if(_que.empty())_ProducerCond.Signal();_mutex.unLock();}}private:Cond _ConsumerCond;Cond _ProducerCond;int_capacity;std::queueT_que;Mutex _mutex;};#endif结果如上图生产者生产5个(5个数据阻塞队列满)后就会通知消费至进行消费。5、总结1. 互斥问题与原因分析问题现象多线程并发访问共享资源如抢票时会出现数据不一致票数为负的问题。根本原因判断非原子性if(ticket 0)判断与后续操作之间可能被线程切换打断。操作非原子性ticket--等操作在汇编层面是多条指令执行中途可能被中断。函数调用引发切换usleep、printf等函数会增加线程切换概率。2. 互斥锁Mutex解决方案核心思想通过锁机制保证同一时刻只有一个线程进入临界区。接口使用动态初始化pthread_mutex_init静态初始化PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER加锁/解锁pthread_mutex_lock/pthread_mutex_unlock实现原理硬件实现禁用中断风险高现代系统采用软件实现。基于原子指令如xchgb实现锁的获取与释放。封装实践使用 C RAII 风格封装Mutex和MutexGuard类实现自动加锁解锁。3. 同步与条件变量同步概念协调多个执行流访问资源的顺序解决线程饥饿问题。条件变量接口初始化pthread_cond_init/PTHREAD_COND_INITIALIZER等待pthread_cond_wait会自动释放锁唤醒pthread_cond_signal单个 /pthread_cond_broadcast全部封装实现简单封装Cond类便于后续使用。4. 生产者-消费者模型模型组成三种关系生产者-生产者互斥、消费者-消费者互斥、生产者-消费者互斥同步两种角色生产者、消费者一个交易场所共享容器如阻塞队列优势解耦生产与消费过程支持并发执行提高系统效率。单生产者单消费者实现使用阻塞队列作为共享容器队列满时生产者等待队列空时消费者等待通过条件变量实现线程间的同步通知5. 关键编程原则临界区最小化加锁范围应尽可能小减少串行化带来的性能损失。锁的安全使用互斥锁本身也是共享资源其安全性由底层原子指令保证。RAII 资源管理通过对象的生命周期自动管理锁的获取与释放避免忘记解锁。条件变量配合互斥锁条件变量等待时会自动释放锁唤醒后重新获取锁。
Linux多线程编程(二)：互斥锁与条件变量，手写生产者消费者模型
发布时间：2026/5/26 3:55:10
文章目录1、互斥问题1.1、抢票问题1.2、原因分析2、互斥锁2.1、互斥锁接口2.2、互斥锁实现原理2.2.1、硬件实现2.2.2、软件实现3.3、加锁的问题与原则2.3、封装互斥锁3、同步与条件变量3.1、同步与条件变量的概念3.2、条件变量接口3.3、封装条件变量4、生产者消费者模型4.1、原理4.2、单生产者单消费者实现5、总结1、互斥问题1.1、抢票问题写一个模拟多线程抢票的代码CCg CFLAGS-g LDFLAGS-lpthread OBJSMain.o #Thread.o code: $(OBJS) $(CC) $(CFLAGS) -o $ $^ $(LDFLAGS) .PHONY: clean clean: rm -rf code *.oMain.cpp#includepthread.h#includeunistd.h#includestdio.h#includestringintticket10000;void*BuyTicket(void*arg){std::string*namestatic_caststd::string*(arg);while(true){if(ticket0){usleep(1000);printf(%s: %d\n,name-c_str(),ticket);ticket--;}else{break;}}pthread_exit(nullptr);}intmain(){pthread_t tid1,tid2,tid3,tid4;std::string name1tid1;std::string name2tid2;std::string name3tid3;std::string name4tid4;pthread_create(tid1,nullptr,BuyTicket,name1);pthread_create(tid2,nullptr,BuyTicket,name2);pthread_create(tid3,nullptr,BuyTicket,name3);pthread_create(tid4,nullptr,BuyTicket,name4);pthread_join(tid1,nullptr);pthread_join(tid2,nullptr);pthread_join(tid3,nullptr);pthread_join(tid4,nullptr);return0;}有10000张票四个线程模拟抢票最终票数会到负数1.2、原因分析原因1在if(ticket 0)这个语句非原子性分为两步从内存读取ticket到寄存器ticket与0比较。在判断后执行ticket--之前线程可能被调取切换当再次调度当前线程ticket已经到0了可是还会执行ticket--。原因2ticket--非原子性操作分为三步从内存加载ticket变量到cpu寄存器寄存器内容减一保存到内存中。当执行到一半线程被切走OS会保存硬件上下文当再次被调度时加载上下文线程看到的ticket是旧的导致数据被覆盖。原因3usleep(1000)模拟抢票行为该函数为会阻塞线程主动让出CPU。usleep、printf等函数会增加线程切换可能性。时钟中断也可能出现在if(ticket 0)判断与ticket--之间。注判断某操作是否原子性最暴力的做法是查看汇编是否一行。2、互斥锁互斥锁的思想任何时刻都只允许一个线程执行临界区代码。其它线程到没有拿到锁会被阻塞。2.1、互斥锁接口互斥锁的类型是pthread_mutex_t。动态初始化锁intpthread_mutex_init(pthread_mutex_t*mutex,constpthread_mutexattr_t*mutexattr);参数mutex需要初始化的锁。mutexattr初始化锁的属性大多数情况直接填空指针使用默认属性即可。静态初始化锁pthread_mutex_tmutexPTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER是一个宏pthread_mutex_init第二个参数传递空指针则属性等于这个宏。静态初始化的宏是一个常量锁存储在静态区编译时确定大小不需要手动销毁。常用于全局变量锁静态变量锁。动态初始化锁是栈上一个变量运行时确定大小需要手动销毁。锁的销毁intpthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t*mutex);返回值成功返回0。失败返回EBUSY当线程持有锁时该函数执行失败。加锁intpthread_mutex_lock(pthread_mutex_t*mutex);返回值成功返回0。当锁没有初始化好旧加锁失败返回EINVAL当已经加锁再次加锁失败返回EDEADLK。尝试加锁intpthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t*mutex);返回值成功返回0。锁被占用失败返回EBUSY锁没有初始化失败返回EINVAL。与直接加锁的区别在于能加就加不能加旧算了。直接加锁时锁被别线程占用会阻塞。解锁intpthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t*mutex);返回值成功返回0。锁没有初始化失败返回EINVAL不是自己加的锁没权限解锁返回EPERM。2.2、互斥锁实现原理2.2.1、硬件实现硬件实现非常简单在加锁时。禁用时钟中断等线程调度行为。直到解锁重新打开这些功能。硬件实现极其危险若忘记写解锁代码或解锁失败则操作系统直接卡死。因此现代操作系统都是采用软件实现。2.2.2、软件实现大多数CPU架构指令集都提供了类似于swap/exchange这样的指令这个指令是原子性的。加锁伪代码lock: movb $0 %al xchgb %al, mutex if(al寄存器内容 0){ return 0; } goto lock;锁的本质就是一个内存中的整数加锁过程清空al寄存器执行完该指令后线程可被切换因为切换前会保存寄存器上下文到线程task_struct中。交换al寄存器内容与内存中变量mutex的值该步骤是原子性。执行完可被切走同理于步骤一当其他线程需要锁时执行xchgb会拿到0。判断al寄存器内容若为1(原mutex为1)则拿到锁加锁成功。若al寄存器为0则没有拿到锁重复lock行为阻塞等待。解锁伪代码unlock: movb $1, mutex return 0解锁过程就是将1写入内存mutex变量。锁是否空闲看的事内存mutex是否为1。若为1则说明锁没有被拿走若为0则说明锁被某线程拿到。3.3、加锁的问题与原则对于抢票代码的解决// 全局锁pthread_mutex_t mutexPTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;void*BuyTicket(void*arg){std::string*namestatic_caststd::string*(arg);while(true){pthread_mutex_lock(mutex);// 加锁if(ticket0){usleep(1000);printf(%s: %d\n,name-c_str(),ticket);ticket--;pthread_mutex_unlock(mutex);// 解锁}else{pthread_mutex_unlock(mutex);// 解锁break;}}pthread_exit(nullptr);}效果加锁后的临界区代码时串行执行的因此会降低效率所以要保证临界区尽量小加锁粒度尽量细。互斥锁本身也是共享资源互斥锁的安全底层是swap/exchange保证的。2.3、封装互斥锁本节源码已经上传至gitee【https://gitee.com/muyi-2580/learning-linux/tree/main/5_24】。以下源码用C封装一个pthread库中的互斥锁然后使用一个类继续封装成RAII风格使其生命周期结束后自动解锁。Mutex.cc#ifndef__MUTEX_H#define__MUTEX_H#includepthread.hclassMutex{private:pthread_mutex_t mutex;public:Mutex(){pthread_mutex_init(mutex,nullptr);}~Mutex(){pthread_mutex_destroy(mutex);}voidLock(){pthread_mutex_lock(mutex);}voidunLock(){pthread_mutex_unlock(mutex);}};// RAII风格封装classMutexGuard{private:Mutexmutex;public:MutexGuard(Mutexmutex):mutex(mutex)// 引用类型只能在初始化列表初始化{mutex.Lock();}~MutexGuard(){mutex.unLock();}};#endifMain.cc#includepthread.h#includeunistd.h#includestring#includeMutex.ccintticket10000;// 全局锁Mutex mutex;void*BuyTicket(void*arg){std::string*namestatic_caststd::string*(arg);while(true){{// 临界区代码// 加锁, RAII风格MutexGuardmg(mutex);if(ticket0){usleep(1000);printf(%s: %d\n,name-c_str(),ticket);ticket--;}else{break;}}}pthread_exit(nullptr);}intmain(){pthread_t tid1,tid2,tid3,tid4;std::string name1tid1;std::string name2tid2;std::string name3tid3;std::string name4tid4;pthread_create(tid1,nullptr,BuyTicket,name1);pthread_create(tid2,nullptr,BuyTicket,name2);pthread_create(tid3,nullptr,BuyTicket,name3);pthread_create(tid4,nullptr,BuyTicket,name4);pthread_join(tid1,nullptr);pthread_join(tid2,nullptr);pthread_join(tid3,nullptr);pthread_join(tid4,nullptr);return0;}构造一个作用域可以提高代码可读性一眼就能看出临界区。3、同步与条件变量3.1、同步与条件变量的概念现有A、B、C三个线程竞争同一互斥锁获得锁的线程执行相关任务。开始A获得锁执行完任务释放锁A再次获得锁执行完任务释放锁A又获得锁……。B、C线程一直处于阻塞状态阻塞状态也会被CPU调度B、C无法完成自己的任务且浪费CPU资源这种情况叫做线程饥饿问题。同步是只多个执行流协同执行的顺序。用人话说就是执行流访问资源按照某总顺序。同步常用条件变量实现。pthread库提供了条件变量条件变量在满足了某个条件时才继续执行。条件变量底层原理是由一种唤醒机制和一个阻塞队列。当收到了其他线程的通知才能由阻塞到继续执行。在使用时一个唤醒 条件应该对应一个条件变量。3.2、条件变量接口条件变量是一个结构体其类型是pthread_cond_t。动态初始化条件变量intpthread_cond_init(pthread_cond_t*cond,pthread_condattr_t*cond_attr);参数cond需要初始化的条件变量。cond_attr初始化条件变量的属性大多数情况下传空指针使用默认属性。静态初始化条件变量pthread_cond_tcondPTHREAD_COND_INITIALIZER;动态初始化的需要手动销毁静态初始化的不需要手动销毁。原因与互斥锁类似。销毁条件变量intpthread_cond_destroy(pthread_cond_t*cond);返回值成功返回0。当还有线程在等待条件变量时失败返回EBUSY。阻塞等待条件变量intpthread_cond_wait(pthread_cond_t*cond,pthread_mutex_t*mutex);当前线程进入阻塞(依然能被调度)等待条件变量的唤醒后再执行。该函数需要传递锁是因为在该函数内部会释放锁让其他线程获得资源。唤醒一个指定的条件变量intpthread_cond_signal(pthread_cond_t*cond);会唤醒一个由该条件变量阻塞的线程具体是哪一个就不确定了。唤醒所有指定的条件变量intpthread_cond_broadcast(pthread_cond_t*cond);3.3、封装条件变量做一个简单封装 4.2节会用到。#ifndef__CONDITION_CC#define__CONDITION_CC#includepthread.hclassCond{public:Cond(){pthread_cond_init(_cond,nullptr);}~Cond(){pthread_cond_destroy(_cond);}voidWait(pthread_mutex_tmutex){pthread_cond_wait(_cond,mutex);}voidSignal(){pthread_cond_signal(_cond);}private:pthread_cond_t _cond;};#endif4、生产者消费者模型4.1、原理生产者消费者模型(Producer-Consumer模型)是一种多线程的经典模型。这个模型中有三种关系生产者-生产者生产者-消费者消费者-消费者。两种角色生产者消费者。一种交易场所共享容器。这个模型中生产者不断生产商品消费者不断消费商品。交易场所能容纳的商品有限。当商品满了或者达到指定数量或者达到容量的百分之九十就不能继续生产了。当没有商品就不能继续消费了。如果使用线程模拟生产者、消费者三种关系生产者-生产者互斥。消费者-消费者互斥。生产者-消费者互斥/同步。这个模型的优势在于1、生产者与消费者线程解耦。2、生产过程可以与消费过程并发进行提高效率。在《管道通信深度剖析从匿名管道到命名管道手写进程池》中的进程池也是一个生产者消费者模型。父进程扮演生产者子进程扮演消费者管道扮演交易场所。4.2、单生产者单消费者实现本节代码依赖【https://gitee.com/muyi-2580/learning-linux/blob/main/5_18/thread.cc】。本节源码已上传至gitee【https://gitee.com/muyi-2580/learning-linux/tree/main/5_25】。Main.cc#includeMutex.cc#includeThread.cc#includeBlockingQueue.cc#includeiostream#includeunistd.hintnum1;BlockingQueueintbq;voidProducerRoutine(){while(1){std::coutproduce: numstd::endl;bq.Enqueue(num);num;// 生产得慢usleep(100000);}pthread_exit(nullptr);}voidConsumerRoutine(){while(1){intdata0;bq.Pop(data);std::coutconsume: datastd::endl;// 消费得快usleep(1000);}pthread_exit(nullptr);}intmain(){ThreadModule::Threadc(ConsumerRoutine);ThreadModule::Threadp(ProducerRoutine);c.start();p.start();c.join();p.join();return0;}BlockingQueue.cc#ifndef__BLOCKING_QUEUE_CC#define__BLOCKING_QUEUE_CC#includeCondition.cc#includequeue#includeMutex.cctemplateclassTclassBlockingQueue{public:BlockingQueue(intcap5):_capacity(cap){}~BlockingQueue(){}voidEnqueue(Tin)// 生产者数据入队列{{_mutex.Lock();while(_que.size()_capacity){// 满了生产者等待_ProducerCond.Wait(_mutex.getMutex());}// 数据入队_que.push(in);// 通知消费者消费if(_que.size()_capacity)_ConsumerCond.Signal();_mutex.unLock();}}voidPop(T*out)// 消费者数据出队列{{_mutex.Lock();if(_que.empty()){// 没有数据消费者等待_ConsumerCond.Wait(_mutex.getMutex());}// 消费(获取)数据*out_que.front();_que.pop();// 如果队空通知生产者生产if(_que.empty())_ProducerCond.Signal();_mutex.unLock();}}private:Cond _ConsumerCond;Cond _ProducerCond;int_capacity;std::queueT_que;Mutex _mutex;};#endif结果如上图生产者生产5个(5个数据阻塞队列满)后就会通知消费至进行消费。5、总结1. 互斥问题与原因分析问题现象多线程并发访问共享资源如抢票时会出现数据不一致票数为负的问题。根本原因判断非原子性if(ticket 0)判断与后续操作之间可能被线程切换打断。操作非原子性ticket--等操作在汇编层面是多条指令执行中途可能被中断。函数调用引发切换usleep、printf等函数会增加线程切换概率。2. 互斥锁Mutex解决方案核心思想通过锁机制保证同一时刻只有一个线程进入临界区。接口使用动态初始化pthread_mutex_init静态初始化PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER加锁/解锁pthread_mutex_lock/pthread_mutex_unlock实现原理硬件实现禁用中断风险高现代系统采用软件实现。基于原子指令如xchgb实现锁的获取与释放。封装实践使用 C RAII 风格封装Mutex和MutexGuard类实现自动加锁解锁。3. 同步与条件变量同步概念协调多个执行流访问资源的顺序解决线程饥饿问题。条件变量接口初始化pthread_cond_init/PTHREAD_COND_INITIALIZER等待pthread_cond_wait会自动释放锁唤醒pthread_cond_signal单个 /pthread_cond_broadcast全部封装实现简单封装Cond类便于后续使用。4. 生产者-消费者模型模型组成三种关系生产者-生产者互斥、消费者-消费者互斥、生产者-消费者互斥同步两种角色生产者、消费者一个交易场所共享容器如阻塞队列优势解耦生产与消费过程支持并发执行提高系统效率。单生产者单消费者实现使用阻塞队列作为共享容器队列满时生产者等待队列空时消费者等待通过条件变量实现线程间的同步通知5. 关键编程原则临界区最小化加锁范围应尽可能小减少串行化带来的性能损失。锁的安全使用互斥锁本身也是共享资源其安全性由底层原子指令保证。RAII 资源管理通过对象的生命周期自动管理锁的获取与释放避免忘记解锁。条件变量配合互斥锁条件变量等待时会自动释放锁唤醒后重新获取锁。
 论文理念助力Agent发展)
