互斥与锁和条件变量组合

互斥锁一个明显的缺点是，他只有两个状态：锁定和非锁定。而条件变量通过同意线程堵塞和等待还有一个线程发送信号的方法弥补了相互排斥锁的不足，他常和相互排斥锁一起使用。

使用时，条件变量被用来堵塞一个线程，当条件不满足时。线程往往解开对应的相互排斥锁并等待条件发生变化。一旦其它的某个线程改变了条件变量。他将通知对应的条件变量唤醒一个或多个正被此条件变量堵塞的线程。这些线程将又一次锁定相互排斥锁并又一次測试条件是否满足。一般说来，条件变量被用来进行线承间的同步。

对于条件锁，通常配合一个相互排斥锁一起使用，以防止多个线程同一时候请求pthread_cond_wait()。

1. int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex)int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *abstime)　　等待条件有两种方式：无条件等待pthread_cond_wait()和计时等待pthread_cond_timedwait()，当中计时等待方式假设在给定时刻前条件没有满足，则返回ETIMEOUT。结束等待，当中abstime以与time()系统调用相允许义的绝对时间形式出现，0表示格林尼治时间1970年1月1日0时0分0秒。　　不管哪种等待方式。都必须和一个相互排斥锁配合，以防止多个线程同一时候请求pthread_cond_wait()（或pthread_cond_timedwait()，下同）的竞争条件（Race Condition）。mutex相互排斥锁在调用pthread_cond_wait()前必须由本线程加锁（pthread_mutex_lock()）。而在更新条件等待队列曾经。mutex保持锁定状态。并在线程挂起进入等待前解锁。

在条件满足从而离开pthread_cond_wait()之前。mutex将被又一次加锁，以与进入pthread_cond_wait()前的加锁动作相应。

2. int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

　　激发条件有两种形式。pthread_cond_signal()激活一个等待该条件的线程，存在多个等待线程时按入队顺序激活当中一个。而pthread_cond_broadcast()则激活全部等待线程。

这里须要说明的是pthread_cond_signal，仅仅唤醒堵塞队列上面的一个线程，其它线程仍然堵塞在条件锁上面，除非有其它线程继续使用pthread_cond_signal继续唤醒堵塞线程。

pthrad_cons_broadcast 唤醒堵塞队列上面的全部线程，可是仅仅有一个线程能够竞争到相互排斥锁，其它线程此时不在堵塞在条件锁上面，而是堵塞在相互排斥锁上面。直到得到相互排斥锁的线程 unclock 掉相互排斥锁，这些线程在继续竞争。

一、相互排斥锁

相互排斥量从本质上说就是一把锁, 提供对共享资源的保护訪问。

　　1. 初始化:

　　在Linux下, 线程的相互排斥量数据类型是pthread_mutex_t. 在使用前, 要对它进行初始化:

　　对于静态分配的相互排斥量, 能够把它设置为PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER, 或者调用pthread_mutex_init.

　　对于动态分配的相互排斥量, 在申请内存(malloc)之后, 通过pthread_mutex_init进行初始化, 而且在释放内存(free)前须要调用pthread_mutex_destroy.

　　原型:

　　int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restric attr);

　　int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

　　头文件:

　　返回值: 成功则返回0, 出错则返回错误编号.

　　说明: 假设使用默认的属性初始化相互排斥量, 仅仅需把attr设为NULL. 其它值在以后解说。

　　2. 相互排斥操作:

　　对共享资源的訪问, 要对相互排斥量进行加锁, 假设相互排斥量已经上了锁, 调用线程会堵塞, 直到相互排斥量被解锁. 在完毕了对共享资源的訪问后, 要对相互排斥量进行解锁。

　　首先说一下加锁函数:

　　头文件:

　　原型:

　　int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

　　int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

　　返回值: 成功则返回0, 出错则返回错误编号.

　　说明: 详细说一下trylock函数, 这个函数是非堵塞调用模式, 也就是说, 假设相互排斥量没被锁住, trylock函数将把相互排斥量加锁, 并获得对共享资源的訪问权限; 假设相互排斥量被锁住了, trylock函数将不会堵塞等待而直接返回EBUSY, 表示共享资源处于忙状态。

　　再说一下解所函数:

　　头文件:

　　原型: int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

　　返回值: 成功则返回0, 出错则返回错误编号.

　　3. 死锁:

　　死锁主要发生在有多个依赖锁存在时, 会在一个线程试图以与还有一个线程相反顺序锁住相互排斥量时发生. 怎样避免死锁是使用相互排斥量应该格外注意的东西。

　　整体来讲, 有几个不成文的基本原则:

　　对共享资源操作前一定要获得锁。

　　完毕操作以后一定要释放锁。

　　尽量短时间地占用锁。

　　假设有多锁, 如获得顺序是ABC连环扣, 释放顺序也应该是ABC。

　　线程错误返回时应该释放它所获得的锁。

以下给个測试小程序进一步了解相互排斥，mutex相互排斥信号量锁住的不是一个变量，而是堵塞住一段程序。假设对一个mutex变量testlock, 运行了第一次pthread_mutex_lock(testlock)之后，在unlock(testlock)之前的这段时间内，假设有其它线程也运行到了pthread_mutex_lock(testlock)。这个线程就会堵塞住，直到之前的线程unlock之后才干运行，由此，实现同步，也就达到保护临界区资源的目的。

#include<stdio.h>
#include<pthread.h>

static pthread_mutex_t testlock;
pthread_t test_thread;

void *test()
{
pthread_mutex_lock(&testlock);
printf("thread Test() ");
pthread_mutex_unlock(&testlock);
}

int main()
{
pthread_mutex_init(&testlock, NULL);
pthread_mutex_lock(&testlock);

printf("Main lock ");

pthread_create(&test_thread, NULL, test, NULL);
sleep(1); //更加明显的观察到是否运行了创建线程的相互排斥锁
printf("Main unlock ");
pthread_mutex_unlock(&testlock);

sleep(1);

pthread_join(test_thread,NULL);
pthread_mutex_destroy(&testlock);
return 0;
}

make
gcc -D_REENTRANT -lpthread -o test test.c

结果：
Main lock
Main unlock
thread Test()

二、条件变量
这里主要说说 pthread_cond_wait()的使用方法。在以下有说明。
条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制，主要包含两个动作：一个线程等待"条件变量的条件成立"而挂起。还有一个线程使"条件成立"（给出条件成立信号）。为了防止竞争。条件变量的使用总是和一个相互排斥锁结合在一起。

1．   创建和注销

条件变量和相互排斥锁一样。都有静态动态两种创建方式。静态方式使用PTHREAD_COND_INITIALIZER常量。例如以下：
pthread_cond_t   cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER

动态方式调用pthread_cond_init()函数。API定义例如以下：
int   pthread_cond_init(pthread_cond_t   *cond,   pthread_condattr_t   *cond_attr)

虽然POSIX标准中为条件变量定义了属性，但在LinuxThreads中没有实现。因此cond_attr值通常为NULL。且被忽略。

注销一个条件变量须要调用pthread_cond_destroy()，仅仅有在没有线程在该条件变量上等待的时候才干注销这个条件变量，否则返回EBUSY。由于Linux实现的条件变量没有分配什么资源。所以注销动作仅仅包含检查是否有等待线程。API定义例如以下：
int   pthread_cond_destroy(pthread_cond_t   *cond)

2．   等待和激发

int   pthread_cond_wait(pthread_cond_t   *cond,   pthread_mutex_t   *mutex)
int   pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t   *cond,   pthread_mutex_t   *mutex,   const   struct   timespec   *abstime)



等待条件有两种方式：无条件等待pthread_cond_wait()和计时等待pthread_cond_timedwait()。当中计时等待方式假设在给定时刻前条件没有满足，则返回ETIMEOUT，结束等待。当中abstime以与time()系统调用相允许义的绝对时间形式出现。0表示格林尼治时间1970年1月1日0时0分0秒。

不管哪种等待方式，都必须和一个相互排斥锁配合，以防止多个线程同一时候请求pthread_cond_wait()（或pthread_cond_timedwait()，下同）的竞争条件（Race   Condition）。mutex相互排斥锁必须是普通锁（PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP）或者适应锁（PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP），且在调用pthread_cond_wait()前必须由本线程加锁（pthread_mutex_lock()）。而在更新条件等待队列曾经，mutex保持锁定状态。并在线程挂起进入等待前解锁。在条件满足从而离开pthread_cond_wait()之前，mutex将被又一次加锁。以与进入pthread_cond_wait()前的加锁动作相应。

运行pthread_cond_wait()时自己主动解锁相互排斥量(如同运行了 pthread_unlock_mutex)，并等待条件变量触发。这时线程挂起，不占用 CPU 时间，直到条件变量被触发。

激发条件有两种形式，pthread_cond_signal()激活一个等待该条件的线程，存在多个等待线程时按入队顺序激活当中一个。而pthread_cond_broadcast()则激活全部等待线程。

两者假设没有等待的线程。则什么也不做。

以下一位童鞋问的问题解释了上面的说明：

当pthread_cond_t调用pthread_cond_wait进入等待状态时,pthread_mutex_t相互排斥信号无效了.

演示样例代码例如以下:

//多线程同步--条件锁(相当与windows的事件)測试

//要先让pthread_cond_wait进入等待信号状态,才干调用pthread_cond_signal发送信号,才有效.

//不能让pthread_cond_signal在pthread_cond_wait前面运行

#include <stdio.h>

#include<pthread.h> //多线程所用头文件

#include <semaphore.h> //信号量使用头文件

pthread_cond_t g_cond /*=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER*/; //申明条锁,并用宏进行初始化

pthread_mutex_t g_mutex ;

//线程运行函数

void threadFun1(void)

{

int i;

pthread_mutex_lock(&g_mutex); //1

pthread_cond_wait(&g_cond,&g_mutex); //如g_cond无信号,则堵塞

for( i = 0;i < 2; i++ ){

printf("thread threadFun1. ");

sleep(1);

}

pthread_cond_signal(&g_cond);

pthread_mutex_unlock(&g_mutex);

}

int main(void)

{

pthread_t id1; //线程的标识符

pthread_t id2;

pthread_cond_init(&g_cond,NULL); //也能够程序里面初始化

pthread_mutex_init(&g_mutex,NULL); //相互排斥变量初始化

int i,ret;

ret = pthread_create(&id1,NULL,(void *)threadFun1, NULL);

if ( ret!=0 ) { //不为0说明线程创建失败

printf ("Create pthread1 error! ");

exit (1);

}

sleep(5); //等待子线程先開始

pthread_mutex_lock(&g_mutex); //2

pthread_cond_signal(&g_cond); //给个開始信号,注意这里要先等子线程进入等待状态在发信号,否则无效

pthread_mutex_unlock(&g_mutex);

pthread_join(id1,NULL);

pthread_cond_destroy(&g_cond); //释放

pthread_mutex_destroy(&g_mutex); //释放

return 0;

}

大家请看红颜色的1和2.

明明是1先锁了相互排斥变量,但代码运行到2还是一样能够锁定.

为什么会这样呢??

??/

pthread_cond_wait()什么情况才会接锁,继续跑下去啊...如今来看一段典型的应用：看凝视就可以。

问题解释：当程序进入pthread_cond_wait等待后，将会把g_mutex进行解锁，当离开pthread_cond_wait之前，g_mutex会又一次加锁。

所以在main中的g_mutex会被加锁。

呵呵。。。

如今来看一段典型的应用：看凝视就可以。

#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

static pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
static pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

struct node {
int n_number;
struct node *n_next;
} *head = NULL;

/*[thread_func]*/
static void cleanup_handler(void *arg)
{
printf("Cleanup handler of second thread. ");
free(arg);
(void)pthread_mutex_unlock(&mtx);
}

static void *thread_func(void *arg)
{
struct node *p = NULL;

pthread_cleanup_push(cleanup_handler, p);
while (1) {
pthread_mutex_lock(&mtx);           //这个mutex主要是用来保证pthread_cond_wait的并发性
while (head == NULL)   {               //这个while要特别说明一下，单个pthread_cond_wait功能非常完好，为何这里要有一个while (head == NULL)呢？由于pthread_cond_wait里的线程可能会被意外唤醒，假设这个时候head != NULL。则不是我们想要的情况。这个时候，应该让线程继续进入pthread_cond_wait
pthread_cond_wait(&cond, &mtx);         // pthread_cond_wait会先解除之前的pthread_mutex_lock锁定的mtx。然后堵塞在等待对列里休眠。直到再次被唤醒（大多数情况下是等待的条件成立而被唤醒，唤醒后，该进程会先锁定先pthread_mutex_lock(&mtx);，再读取资源，用这个流程是比較清楚的/*block-->unlock-->wait() return-->lock*/

}
p = head;
head = head->n_next;
printf("Got %d from front of queue ", p->n_number);
free(p);
pthread_mutex_unlock(&mtx);             //临界区数据操作完成，释放相互排斥锁
}
pthread_cleanup_pop(0);
return 0;

/*EC_CLEANUP_BGN
(void)pthread_mutex_unlock(&mtx);
EC_FLUSH("thread_func")
return 1;
EC_CLEANUP_END*/
}
/*[]*/

int main(void)
{
pthread_t tid;
int i;
struct node *p;

pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);   //子线程会一直等待资源，类似生产者和消费者，可是这里的消费者能够是多个消费者。而不只支持普通的单个消费者。这个模型尽管简单，可是非常强大
/*[tx6-main]*/
for (i = 0; i < 10; i++) {
p = malloc(sizeof(struct node));
p->n_number = i;
pthread_mutex_lock(&mtx);             //须要操作head这个临界资源，先加锁，
p->n_next = head;
head = p;
pthread_cond_signal(&cond);
pthread_mutex_unlock(&mtx);           //解锁
sleep(1);
}
printf("thread 1 wanna end the line.So cancel thread 2. ");
pthread_cancel(tid);             //关于pthread_cancel，有一点额外的说明，它是从外部终止子线程。子线程会在近期的取消点。退出线程，而在我们的代码里。近期的取消点肯定就是pthread_cond_wait()了。

关于取消点的信息，有兴趣能够google,这里不多说了
pthread_join(tid, NULL);
printf("All done -- exiting ");
return 0;
/*[]*/

/*EC_CLEANUP_BGN
return EXIT_FAILURE;
EC_CLEANUP_END*/
}

http://www.cnblogs.com/Anker/archive/2013/01/09/2852442.html