线程同步机制条件变量的使用与思考

C/C++ pthread

字数统计: 976阅读时长: 20 min

 2017/12/15

条件变量是Linux线程同步的一种机制，与互斥量一起使用时，允许线程以无竞争的方式等待特定条件的发生

[TOC]

关键函数

初始化与注销

#include <pthread.h>

// 静态初始化
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

// 动态初始化
int pthread_cond_init(thread_cond_t *cond, 
                      const pthread_condattr_t *attr);

// 反初始化，即注销
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

返回值: 若成功，返回0；否则，返回错误编码

注意：

只有在没有线程在该条件变量上等待时，才可以注销条件变量，否则会返回EBUSY
Linux在实现条件变量时，并没有为条件变量分配资源，所以在注销一个条件变量时，只需要注意该变量是否仍有等待线程即可

线程等待

#include <pthread.h>

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);

返回值: 若成功，返回0；否则，返回错误编码

执行过程如下：

调用者把锁住的互斥量传给函数，然后函数自动把调用线程放到等待条件的线程列表上
对互斥量进行解锁，线程挂起进入等待(不占用CPU时间)　
函数被唤醒返回时，会自动对互斥量进行加锁

pthread_cond_timedwait只是多了一个等待超时时间，通过timespec指定，超时返回错误ETIMEDOUT

线程唤醒

#include <pthread.h>

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

返回值: 若成功，返回0；否则，返回错误编码

pthread_cond_signal至少能唤醒一个等待该条件的线程
pthread_cond_broadcast则能唤醒等待该条件的所有线程

需要注意的是，一定要在改变条件状态以后再给线程发信号

示例

示例代码可参考我的github，由于篇幅原因，不在此贴出

一些思考

条件变量实质是什么

条件变量实质是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制

互斥量保护的是什么

示例中的相关代码

pthread_mutex_lock(&(test->mut));

while (test->condition == 0)
{
  pthread_cond_wait(&(test->cond), &(test->mut));
}
    
pthread_mutex_unlock(&(test->mut));

互斥量是用来保护条件test->condition在读取时，它的值不被其它线程修改，如果条件成立，则此线程进入等待条件的线程队列，对互斥量进行解锁并开始等待

为什么用while来判断条件

如上面的代码所示，使用while对条件进行判断的原因如下：

若先解锁互斥量，再唤醒等待线程，则条件可能被其它线程更改，使得等待条件再次成立，需要继续等待
pthread_cond_wait可能存在意外返回的情况，则此时条件并没有被更改，需要继续等待。

造成意外返回的原因是Linux中带阻塞功能的系统调用都会在进程收到signal后返回

先唤醒线程还是先解锁

示例代码：

情况一：先唤醒

pthread_mutex_lock(&(test->mut));
test->condition = 1
pthread_cond_signal(&(test->cond));
pthread_mutex_unlock(&(test->mut));

情况二：先解锁

pthread_mutex_lock(&(test->mut));
test->condition = 1
pthread_mutex_unlock(&(test->mut));
pthread_cond_signal(&(test->cond));

两种情况各有缺点：

情况一在唤醒等待线程后，再解锁，使得等待线程在被唤醒后试图对互斥量进行加锁时，互斥量还未解锁，则线程又进入睡眠，待互斥量解锁成功后，再次被唤醒并对互斥量加锁，这样就会发生两次上下文切换，影响性能
情况二在唤醒等待线程前先解锁，使得其它线程可能先于等待线程获取互斥量，并对条件进行更改，使得条件变量失去作用

Reference

原文作者：AnSwErYWJ

原文链接：https://answerywj.com/2017/12/15/condition-variables-of-thread-synchronization/

发表日期：2017/12/15 22:12

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