Linux-笔记 线程同步机制

2024-06-24 08:04
文章标签 linux 线程 笔记 同步 机制

本文主要是介绍Linux-笔记 线程同步机制，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

目录

前言

实现

信号量（Semaphore）

计数型信号量

二值信号量 

信号量的原语操作

无名信号量的操作函数

例子

互斥锁（mutex）

互斥锁的操作函数

例子

自旋锁 （Spinlock）

自旋锁与互斥锁的区别

自旋锁的操作函数

例子

前言

        线程同步是为了对共享资源的访问进行保护，确保数据的一致性，由于进程中会有多个线程的存在，每个线程对共享资源的并发访问就会出现数据的一致性问题。

实现

        实现线程同步的机制有很多，比较常用的有：信号量、互斥锁、自旋锁、条件变量、读写锁等等，这里仅探讨linux下的线程同步机制。

信号量（Semaphore）

        信号量是一种非常常见的进程同步机制，主要用于多线程或多进程环境中，以控制对共享资源的访问。如果是按照命名区分可以分为有名信号量和无名信号量，本章主要使用无名信号量，因为无名信号量常用于线程同步，它们没有全局名称，只在进程内部有效，使用起来简单且高效。

如果按照信号量值分类可以分成计数型信号量与二值信号量。

计数型信号量
  • 计数信号量的值可以是一个非负整数。
  • 它用于控制多个相同资源的访问数量。
  • 当一个进程（或线程）试图获取资源时，它会检查信号量的值是否大于零。如果大于零，则信号量减一，进程继续执行；否则，进程会进入等待状态，直到信号量的值大于零。
  • 当一个进程释放资源时，它会将信号量的值加一，并唤醒等待队列中的一个进程（如果有的话）。
二值信号量 
  • 二元信号量的值只有0和1两种状态，类似于互斥锁（Mutex）。
  • 当信号量为1时，表示资源是可用的；当信号量为0时，表示资源不可用。
  • 一个进程获取资源时，将信号量设置为0；当进程释放资源时，将信号量设置为1。
  • 二元信号量主要用于确保一次只有一个进程访问某个资源。
信号量的原语操作

  • P操作（Proberen）：也叫wait或down操作，表示请求资源。

    • 对于计数信号量，P操作会将信号量的值减一，如果结果为负，进程将进入等待状态。
    • 对于二元信号量，如果信号量值为0，进程将进入等待状态；如果为1，则设置为0，继续执行。

  • V操作（Verhogen）：也称为signal或up操作，表示释放资源。

    • 对于计数信号量，V操作会将信号量的值加一，如果有进程在等待，将唤醒一个等待的进程。
    • 对于二元信号量，将信号量设置为1，并唤醒一个等待的进程（如果有的话）。
无名信号量的操作函数

1、sem_init：初始化一个无名信号量

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);sem_t sem;
if (sem_init(&sem, 0, 1) != 0) {perror("sem_init");exit(EXIT_FAILURE);
}

  • 参数：

    • sem：指向信号量对象的指针。
    • pshared：指定信号量是否在进程间共享。0 表示用于线程间同步，非 0 表示用于进程间同步。
    • value：信号量的初始值。

  • 返回值：

    • 成功返回 0，失败返回 -1 并设置 errno。

2、sem_destroy：销毁一个无名信号量。

int sem_destroy(sem_t *sem);if (sem_destroy(&sem) != 0) {perror("sem_destroy");exit(EXIT_FAILURE);
}

  • 参数：

    • sem：指向要销毁的信号量对象的指针。

  • 返回值：

    • 成功返回 0，失败返回 -1 并设置 errno。

3、sem_wait：等待信号量，将信号量的值减1。如果信号量的值为0，则阻塞直到信号量的值大于0。

int sem_wait(sem_t *sem);if (sem_wait(&sem) != 0) {perror("sem_wait");exit(EXIT_FAILURE);
}

  • 参数：

    • sem：指向信号量对象的指针。

  • 返回值：

    • 成功返回 0，失败返回 -1 并设置 errno。

4、sem_post：释放信号量，将信号量的值加1。如果有其他线程正在阻塞等待该信号量，则唤醒其中一个线程。

int sem_post(sem_t *sem);if (sem_post(&sem) != 0) {perror("sem_post");exit(EXIT_FAILURE);
}

  • 参数：

    • sem：指向信号量对象的指针。

  • 返回值：

    • 成功返回 0，失败返回 -1 并设置 errno。

5、sem_trywait：尝试等待信号量。如果信号量的值大于0，将信号量的值减1并立即返回。如果信号量的值为0，则立即返回错误而不阻塞。

int sem_trywait(sem_t *sem);if (sem_trywait(&sem) != 0) {if (errno == EAGAIN) {printf("信号量当前不可用\n");} else {perror("sem_trywait");exit(EXIT_FAILURE);}
}

  • 参数：

    • sem：指向信号量对象的指针。

  • 返回值：

    • 成功返回 0，失败返回 -1 并设置 errno。

6、sem_timedwait：在指定的时间内等待信号量。如果在指定时间内信号量的值变为正数，则将其减1并返回。如果超过指定时间，返回错误。

int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);struct timespec ts;
clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &ts);
ts.tv_sec += 5; // 等待5秒if (sem_timedwait(&sem, &ts) != 0) {if (errno == ETIMEDOUT) {printf("等待超时\n");} else {perror("sem_timedwait");exit(EXIT_FAILURE);}
}

  • 参数：

    • sem：指向信号量对象的指针。
    • abs_timeout：指定的绝对超时时间。

  • 返回值：

    • 成功返回 0，失败返回 -1 并设置 errno。
例子
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>sem_t sem_g, sem_p;  // 定义两个信号量
char ch = 'a';void *pthread_g(void *arg)  // 改变字符 ch 的值
{while (1){sem_wait(&sem_g);  //第一次为0阻塞ch++;sleep(1);sem_post(&sem_p);  //加1}
}void *pthread_p(void *arg)  // 打印字符 ch 的值
{while (1){sem_wait(&sem_p); //非0，减一执行printf("%c", ch);fflush(stdout);sem_post(&sem_g); //为0，加一}
}int main()
{pthread_t tid1, tid2;sem_init(&sem_g, 0, 0);  // 初始化信号量sem_init(&sem_p, 0, 1);  //sem_p先获得1，先执行pthread_create(&tid1, NULL, pthread_g, NULL);pthread_create(&tid2, NULL, pthread_p, NULL);pthread_join(tid1, NULL);pthread_join(tid2, NULL);return 0;
}

互斥锁（mutex）

        互斥锁又叫互斥量，在对共享资源进行访问的时候可以进行上锁，访问结束后可以解锁。当有一个线程对互斥锁进行上锁后，其他线程也想对互斥锁进行上锁就会被阻塞，直到对互斥锁上锁的线程释放互斥锁为止。如果释放互斥锁时有一个以上的线程阻塞，那么这些阻塞的线程会被唤醒，它们都会尝试对互斥锁进行上锁，当有一个线程成功对互斥锁上锁之后，其它线程就不能再次上锁了，只能再次陷入阻塞，等待下一次解锁。

        简单说，互斥量就是为了确保同一时间只有一个线程能够访问一个共享资源。

互斥锁的操作函数

1、pthread_mutex_init：初始化一个互斥锁。

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);pthread_mutex_t mutex;
if (pthread_mutex_init(&mutex, NULL) != 0) {perror("pthread_mutex_init");exit(EXIT_FAILURE);
}

  • 参数：

    • mutex：指向互斥锁对象的指针。
    • attr：互斥锁属性。可以是 NULL，表示使用默认属性。

  • 返回值：

    • 成功返回 0，失败返回错误代码。

2、pthread_mutex_destroy：销毁一个互斥锁。

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);if (pthread_mutex_destroy(&mutex) != 0) {perror("pthread_mutex_destroy");exit(EXIT_FAILURE);
}

  • 参数：

    • mutex：指向要销毁的互斥锁对象的指针。

  • 返回值：

    • 成功返回 0，失败返回错误代码。

3、pthread_mutex_lock：锁定一个互斥锁。如果互斥锁已经被锁定，则阻塞直到互斥锁可用。

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);if (pthread_mutex_lock(&mutex) != 0) {perror("pthread_mutex_lock");exit(EXIT_FAILURE);
}

  • 参数：

    • mutex：指向要锁定的互斥锁对象的指针。

  • 返回值：

    • 成功返回 0，失败返回错误代码。

4、pthread_mutex_trylock：尝试锁定一个互斥锁。如果互斥锁已经被锁定，则立即返回错误而不阻塞。

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);if (pthread_mutex_trylock(&mutex) != 0) {if (errno == EBUSY) {printf("互斥锁当前已被锁定\n");} else {perror("pthread_mutex_trylock");exit(EXIT_FAILURE);}
}

  • 参数：

    • mutex：指向要锁定的互斥锁对象的指针。

  • 返回值：

    • 成功返回 0，失败返回错误代码。

5、pthread_mutex_unlock：解锁一个互斥锁。

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);if (pthread_mutex_unlock(&mutex) != 0) {perror("pthread_mutex_unlock");exit(EXIT_FAILURE);
}

  • 参数：

    • mutex：指向要解锁的互斥锁对象的指针。

  • 返回值：

    • 成功返回 0，失败返回错误代码。
例子
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>#define NUM_ITERATIONS 1000000int counter = 0;
pthread_mutex_t mutex;void* increment(void* arg) {for (int i = 0; i < NUM_ITERATIONS; i++) {pthread_mutex_lock(&mutex);   // 加锁counter++;pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁}return NULL;
}void* decrement(void* arg) {for (int i = 0; i < NUM_ITERATIONS; i++) {pthread_mutex_lock(&mutex);   // 加锁counter--;pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁}return NULL;
}int main() {pthread_t thread1, thread2;// 初始化互斥锁if (pthread_mutex_init(&mutex, NULL) != 0) {perror("pthread_mutex_init");exit(EXIT_FAILURE);}// 创建线程if (pthread_create(&thread1, NULL, increment, NULL) != 0) {perror("pthread_create");exit(EXIT_FAILURE);}if (pthread_create(&thread2, NULL, decrement, NULL) != 0) {perror("pthread_create");exit(EXIT_FAILURE);}// 等待线程完成if (pthread_join(thread1, NULL) != 0) {perror("pthread_join");exit(EXIT_FAILURE);}if (pthread_join(thread2, NULL) != 0) {perror("pthread_join");exit(EXIT_FAILURE);}// 销毁互斥锁if (pthread_mutex_destroy(&mutex) != 0) {perror("pthread_mutex_destroy");exit(EXIT_FAILURE);}// 输出结果printf("Final counter value: %d\n", counter);return 0;
}

自旋锁 （Spinlock）

        自旋锁（spinlock）是一种用于多线程编程的同步机制，用于保护共享资源，使同一时间只有一个线程可以访问该资源。与互斥锁不同，自旋锁在等待锁时不会使线程休眠，而是不断地检查锁的状态，直到获得锁。这种机制在短时间内需要高频率访问共享资源的情况下比较有效。

        自旋锁的不足之处在于：自旋锁一直占用的 CPU，它在未获得锁的情况下，一直处于运行状态（自旋）， 所以占着 CPU，如果不能在很短的时间内获取锁，这无疑会使 CPU 效率降低。 试图对同一自旋锁加锁两次必然会导致死锁，而试图对同一互斥锁加锁两次不一定会导致死锁。

自旋锁与互斥锁的区别
特性自旋锁（Spinlock）互斥锁（Mutex）
等待机制忙等待，循环检查锁状态睡眠等待，线程被挂起
CPU开销高（忙等待消耗CPU）低（等待时线程睡眠）
上下文切换不会发生可能发生
适用场景锁持有时间短，多处理器系统锁持有时间长，各类系统
复杂度简单复杂（需要操作系统调度支持）
死锁检测一般没有自动检测机制可以有自动检测机制
自旋锁的操作函数

1、spin_lock_init：初始化一个自旋锁。

int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t *lock, int pshared);static pthread_spinlock_t spin;//定义自旋锁
pthread_spin_init(&spin, PTHREAD_PROCESS_PRIVATE);
  • 参数：
    • lock：指向 pthread_spinlock_t 类型的指针，用于存储初始化后的自旋锁。
    • pshared：指定锁的共享性质，可以是 PTHREAD_PROCESS_PRIVATE 或 PTHREAD_PROCESS_SHARED。
  • 返回值：
    • 成功初始化返回 0，失败返回错误码。

2、pthread_spin_destroy：用于销毁自旋锁。

int pthread_spin_destroy(pthread_spinlock_t *lock);static pthread_spinlock_t spin;
/* 销毁自旋锁 */pthread_spin_destroy(&spin);
  • 参数：
    • lock：指向 pthread_spinlock_t 类型的指针，指定要销毁的自旋锁。
  • 返回值：
    • 成功销毁返回 0，失败返回错误码。

3、pthread_spin_lock：用于获取自旋锁，如果自旋锁已经被其他线程持有，则当前线程会一直自旋等待直到获取锁为止。

int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t *lock);static pthread_spinlock_t spin;//定义自旋锁
pthread_spin_lock(&spin); //自旋锁上锁
  • 参数：
    • lock：指向 pthread_spinlock_t 类型的指针，指定要获取的自旋锁。
  • 返回值：
    • 成功获取锁返回 0，失败返回错误码。

4、pthread_spin_trylock：用于尝试获取自旋锁，如果自旋锁已经被其他线程持有，则立即返回失败，不会进入自旋等待。

int pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t *lock);
  • 参数：
    • lock：指向 pthread_spinlock_t 类型的指针，指定要尝试获取的自旋锁。
  • 返回值：
    • 成功获取锁返回 0，失败返回 EBUSY（锁已经被持有）或其他错误码。

5、pthread_spin_unlock：用于释放自旋锁，允许其他线程继续获取该自旋锁。

int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t *lock);pthread_spin_unlock(&spin);//自旋锁解锁
  • 参数：
    • lock：指向 pthread_spinlock_t 类型的指针，指定要释放的自旋锁。
  • 返回值：
    • 成功释放锁返回 0，失败返回错误码。
例子
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h> // 提供 sleep 函数pthread_spinlock_t lock;
int shared_variable = 0;void* thread_func(void* arg) {for (int i = 0; i < 5; ++i) {pthread_spin_lock(&lock);shared_variable++;printf("Thread %ld: shared_variable = %d\n", (long)pthread_self(), shared_variable);pthread_spin_unlock(&lock);sleep(1); // 模拟耗时操作}return NULL;
}int main() {pthread_t thread1, thread2;// 初始化自旋锁pthread_spin_init(&lock, PTHREAD_PROCESS_PRIVATE);// 创建线程pthread_create(&thread1, NULL, thread_func, NULL);pthread_create(&thread2, NULL, thread_func, NULL);// 等待线程结束pthread_join(thread1, NULL);pthread_join(thread2, NULL);// 销毁自旋锁pthread_spin_destroy(&lock);return 0;
}

这篇关于Linux-笔记 线程同步机制的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/1089579。

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