【Linux C編程】第十五章 線程同步

一、整體大綱

二、線程同步

1. 同步概念

所謂同步，即同時起步，協調一致。不同的對象，對“同步”的理解方式略有不同。如，設備同步，是指在兩個設備之間規定一個共同的時間參考；數據庫同步，是指讓兩個或多個數據庫內容保持一

致，或者按需要部分保持一致；文件同步，是指讓兩個或多個文件夾里的文件保持一致等等。

而編程中、通信中所說的同步與生活中大家印象中的同步概念略有差異。“同”字應是指協同、協助、互相配合。主旨在協同步調，按預定的先后次序運行。

2. 線程同步

（1）線程同步概念

同步即協同步調，按預定的先后次序運行。

線程同步，指一個線程發出某一功能調用時，在沒有得到結果之前，該調用不返回。同時其它線程為保證數據一致性，不能調用該功能。

舉例1： 銀行存款 5000。柜臺，折：取3000；提款機，卡：取 3000。剩余：2000

舉例2： 內存中100字節，線程T1欲填入全1， 線程T2欲填入全0。但如果T1執行了50個字節失去cpu，T2執行，會將T1寫過的內容覆蓋。當T1再次獲得cpu繼續 從失去cpu的位置向后寫入1，當執

行結束，內存中的100字節，既不是全1，也不是全0。

產生的現象叫做“與時間有關的錯誤”(time related)。為了避免這種數據混亂，線程需要同步。

“同步”的目的，是為了避免數據混亂，解決與時間有關的錯誤。實際上，不僅線程間需要同步，進程間、信號間等等都需要同步機制。

因此，所有“多個控制流，共同操作一個共享資源”的情況，都需要同步。

（2）數據混亂原因

1）資源共享（獨享資源則不會）

2）調度隨機（意味著數據訪問會出現競爭）

3）線程間缺乏必要的同步機制。

以上3點中，前兩點不能改變，欲提高效率，傳遞數據，資源必須共享。只要共享資源，就一定會出現競爭。只要存在競爭關系，數據就很容易出現混亂。

所以只能從第三點著手解決。使多個線程在訪問共享資源的時候，出現互斥。

3. 實現線程同步

（1）互斥量mutex

Linux中提供一把互斥鎖mutex（也稱之為互斥量）。

每個線程在對資源操作前都嘗試先加鎖，成功加鎖才能操作，操作結束解鎖。

資源還是共享的，線程間也還是競爭的，

但通過“鎖”就將資源的訪問變成互斥操作，而后與時間有關的錯誤也不會再產生了。

但應注意：同一時刻，只能有一個線程持有該鎖。

當A線程對某個全局變量加鎖訪問，B在訪問前嘗試加鎖，拿不到鎖，B阻塞。C線程不去加鎖，而直接訪問該全局變量，依然能夠訪問，但會出現數據混亂。

所以，互斥鎖實質上是操作系統提供的一把“建議鎖”（又稱“協同鎖”），建議程序中有多線程訪問共享資源的時候使用該機制。但，并沒有強制限定。

因此，即使有了mutex，如果有線程不按規則來訪問數據，依然會造成數據混亂。

1）主要函數

pthread_mutex_init函數 pthread_mutex_destroy函數 pthread_mutex_lock函數 pthread_mutex_trylock函數 pthread_mutex_unlock函數 以上5個函數的返回值都是：成功返回0， 失敗返回錯誤號。 pthread_mutex_t 類型，其本質是一個結構體。為簡化理解，應用時可忽略其實現細節，簡單當成整數看待。 pthread_mutex_t mutex; 變量mutex只有兩種取值1、0。

pthread_mutex_init函數

初始化一個互斥鎖(互斥量)?--->?初值可看作1

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

參1：傳出參數，調用時應傳 &mutex

restrict關鍵字：只用于限制指針，告訴編譯器，所有修改該指針指向內存中內容的操作，只能通過本指針完成。不能通過除本指針以外的其他變量或指針修改。

參2：互斥量屬性。是一個傳入參數，通常傳NULL，選用默認屬性(線程間共享)。 參APUE.12.4同步屬性

靜態初始化：如果互斥鎖 mutex 是靜態分配的（定義在全局，或加了static關鍵字修飾），可以直接使用宏進行初始化。e.g. ?pthead_mutex_t muetx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

動態初始化：局部變量應采用動態初始化。e.g. ?pthread_mutex_init(&mutex, NULL)

pthread_mutex_destroy函數

銷毀一個互斥鎖

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_lock函數

加鎖。可理解為將 mutex--（或-1）

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_unlock函數

解鎖?？衫斫鉃閷utex ++（或+1）

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_trylock函數

嘗試加鎖

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

2）加鎖與解鎖

lock與unlock：

lock嘗試加鎖，如果加鎖不成功，線程阻塞，阻塞到持有該互斥量的其他線程解鎖為止。

unlock主動解鎖函數，同時將阻塞在該鎖上的所有線程全部喚醒，至于哪個線程先被喚醒，取決于優先級、調度。默認：先阻塞、先喚醒。

例如：T1 T2 T3 T4 使用一把mutex鎖。T1加鎖成功，其他線程均阻塞，直至T1解鎖。T1解鎖后，T2 T3 T4均被喚醒，并自動再次嘗試加鎖。

可假想mutex鎖 init成功初值為1。 lock 功能是將mutex--。 unlock將mutex++

lock與trylock：

lock加鎖失敗會阻塞，等待鎖釋放。

trylock加鎖失敗直接返回錯誤號（如：EBUSY），不阻塞。

trylock示例

1 #include 2 #include 3 #include 4 #include 5 6 pthread_mutex_t mutex; 7 8 void *thr(void *arg) 9 { 10 while(1) 11 { 12 pthread_mutex_lock(&mutex); 13 printf("hello world\n"); 14 sleep(30); 15 pthread_mutex_unlock(&mutex); 16 } 17 18 return NULL; 19 } 20 21 int main() 22 { 23 pthread_mutex_init(&mutex, NULL); 24 pthread_t tid; 25 pthread_create(&tid, NULL, thr, NULL); 26 27 sleep(1); 28 29 while (1) 30 { 31 int ret = pthread_mutex_trylock(&mutex); 32 if (ret > 0) 33 { 34 printf("ret = %d, errmsg = %s\n", ret, strerror(ret)); 35 } 36 sleep(1); 37 } 38 39 return 0; 40 }

3）加鎖步驟測試

看如下程序：該程序是非常典型的，由于共享、競爭而沒有加任何同步機制，導致產生于時間有關的錯誤，造成數據混亂：

多線程數據打印混亂

1 #include 2 #include 3 #include 4 #include 5 6 void *thr1(void *arg) 7 { 8 while(1) 9 { 10 printf("hello"); 11 sleep(rand()%3); 12 printf("world\n"); 13 sleep(rand()%3); 14 } 15 } 16 17 void *thr2(void *arg) 18 { 19 while(1) 20 { 21 printf("HELLO"); 22 sleep(rand()%3); 23 printf("WORLD\n"); 24 sleep(rand()%3); 25 } 26 } 27 28 int main() 29 { 30 pthread_t thr[2]; 31 pthread_create(&thr[0], NULL, thr1, NULL); 32 pthread_create(&thr[1], NULL, thr2, NULL); 33 34 pthread_join(thr[0], NULL); 35 pthread_join(thr[1], NULL); 36 37 return 0; 38 }

練習：修改該程序，使用mutex互斥鎖進行同步。

定義全局互斥量，初始化init(&m, NULL)互斥量，添加對應的destry

兩個線程while中，兩次printf前后，分別加lock和unlock

將unlock挪至第二個sleep后，發現交替現象很難出現。

線程在操作完共享資源后本應該立即解鎖，但修改后，線程抱著鎖睡眠。睡醒解鎖后又立即加鎖，這兩個庫函數本身不會阻塞。

所以在這兩行代碼之間失去cpu的概率很小。因此，另外一個線程很難得到加鎖的機會。

bug修復版（加互斥鎖）

1 #include 2 #include 3 #include 4 #include 5 6 pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; 7 8 void *thr1(void *arg) 9 { 10 while(1) 11 { 12 //先上鎖 13 pthread_mutex_lock(&mutex); //加鎖當有線程已經枷鎖的時候，阻塞 14 printf("hello"); 15 sleep(rand()%3); 16 printf("world\n"); 17 //sleep(rand()%3); 18 //解鎖 19 pthread_mutex_unlock(&mutex); 20 sleep(rand()%3); 21 } 22 } 23 24 void *thr2(void *arg) 25 { 26 while(1) 27 { 28 //上鎖 29 pthread_mutex_lock(&mutex); 30 printf("HELLO"); 31 sleep(rand()%3); 32 printf("WORLD\n"); 33 //sleep(rand()%3); 34 //解鎖 35 pthread_mutex_unlock(&mutex); 36 sleep(rand()%3); 37 } 38 } 39 40 int main() 41 { 42 pthread_t thr[2]; 43 pthread_create(&thr[0], NULL, thr1, NULL); 44 pthread_create(&thr[1], NULL, thr2, NULL); 45 46 pthread_join(thr[0], NULL); 47 pthread_join(thr[1], NULL); 48 49 return 0; 50 }

結論：

在訪問共享資源前加鎖，訪問結束后立即解鎖。鎖的“粒度”應越小越好。

4）死鎖

線程試圖對同一個互斥量A加鎖兩次。

線程1擁有A鎖，請求獲得B鎖；線程2擁有B鎖，請求獲得A鎖

練習：編寫程序，實現上述兩種死鎖現象。

（2）讀寫鎖

1）概念

與互斥量類似，但讀寫鎖允許更高的并行性。其特性為：寫獨占，讀共享。

2）讀寫鎖狀態

一把讀寫鎖具備三種狀態：

a. 讀模式下加鎖狀態 (讀鎖)

b. 寫模式下加鎖狀態 (寫鎖)

c. 不加鎖狀態

3）讀寫鎖特性

讀寫鎖是“寫模式加鎖”時， 解鎖前，所有對該鎖加鎖的線程都會被阻塞。

讀寫鎖是“讀模式加鎖”時， 如果線程以讀模式對其加鎖會成功；如果線程以寫模式加鎖會阻塞。

讀寫鎖是“讀模式加鎖”時， 既有試圖以寫模式加鎖的線程，也有試圖以讀模式加鎖的線程。那么讀寫鎖會阻塞隨后的讀模式鎖請求。優先滿足寫模式鎖。讀鎖、寫鎖并行阻塞，寫鎖優先級高。

讀寫鎖也叫共享-獨占鎖。當讀寫鎖以讀模式鎖住時，它是以共享模式鎖住的；當它以寫模式鎖住時，它是以獨占模式鎖住的。寫獨占、讀共享。

讀寫鎖非常適合于對數據結構讀的次數遠大于寫的情況。

3）主要函數

pthread_rwlock_init函數 pthread_rwlock_destroy函數 pthread_rwlock_rdlock函數 pthread_rwlock_wrlock函數 pthread_rwlock_tryrdlock函數 pthread_rwlock_trywrlock函數 pthread_rwlock_unlock函數 以上7 個函數的返回值都是：成功返回0， 失敗直接返回錯誤號。 pthread_rwlock_t類型 用于定義一個讀寫鎖變量。 pthread_rwlock_t rwlock;

pthread_rwlock_init函數

初始化一把讀寫鎖

int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);

參2：attr表讀寫鎖屬性，通常使用默認屬性，傳NULL即可。

pthread_rwlock_destroy函數

銷毀一把讀寫鎖

int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

pthread_rwlock_rdlock函數

以讀方式請求讀寫鎖。（常簡稱為：請求讀鎖）

int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

pthread_rwlock_wrlock函數

以寫方式請求讀寫鎖。（常簡稱為：請求寫鎖）

int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

pthread_rwlock_unlock函數

解鎖

int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

pthread_rwlock_tryrdlock函數

非阻塞以讀方式請求讀寫鎖（非阻塞請求讀鎖）

int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

pthread_rwlock_trywrlock函數

非阻塞以寫方式請求讀寫鎖（非阻塞請求寫鎖）

int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

4）讀寫鎖示例

看如下示例，同時有多個線程對同一全局數據讀、寫操作。

讀寫鎖示例

1 #include 2 #include 3 #include 4 5 int begin_num = 1000; 6 pthread_rwlock_t rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER; 7 8 void *thr_write(void *arg) 9 { 10 while(1) 11 { 12 pthread_rwlock_wrlock(&rwlock); 13 printf("funcname = %s, self = %lu, begin_num = %d\n", __FUNCTION__, pthread_self(), begin_num++); 14 usleep(2000); //模擬占用時間 15 pthread_rwlock_unlock(&rwlock); 16 usleep(3000); //防止釋放鎖之后又去搶 17 } 18 } 19 20 void *thr_read(void *arg) 21 { 22 while(1) 23 { 24 pthread_rwlock_wrlock(&rwlock); 25 printf("funcname = %s, self = %lu, begin_num = %d\n", __FUNCTION__, pthread_self(), begin_num); 26 usleep(2000); //模擬占用時間 27 pthread_rwlock_unlock(&rwlock); 28 usleep(2000); //防止釋放鎖之后又去搶 29 } 30 } 31 int main() 32 { 33 int n = 8, i = 0; 34 pthread_t tid[8]; //5-read, 3-write 35 for (i = 0; i < 5; i++) 36 { 37 pthread_create(&tid[i], NULL, thr_read, NULL); 38 } 39 40 for (; i < n; i++) 41 { 42 pthread_create(&tid[i], NULL, thr_write, NULL); 43 } 44 45 for (i = 0; i < n; i++) 46 { 47 pthread_join(tid[i], NULL); 48 } 49 50 return 0; 51 }

讀寫鎖場景練習：

a. 線程A加寫鎖成功，線程B請求讀鎖

線程B阻塞

b. 線程A持有讀鎖，線程B請求寫鎖

線程B阻塞

c. 線程A持有讀鎖，線程B請求讀鎖

B加鎖成功

d. 線程A持有讀鎖，然后線程B請求寫鎖，然后線程C請求讀鎖

BC阻塞

A釋放后，B加鎖

B釋放后，C加鎖

e. 線程A持有寫鎖，然后線程B請求讀鎖，然后線程C請求寫鎖

BC阻塞

A釋放，C加鎖

C釋放，B加鎖

（3）條件變量

1）概念

條件變量本身不是鎖！但它也可以造成線程阻塞。通常與互斥鎖配合使用。給多線程提供一個會合的場所。

2）主要應用函數

pthread_cond_init函數 pthread_cond_destroy函數 pthread_cond_wait函數 pthread_cond_timedwait函數 pthread_cond_signal函數 pthread_cond_broadcast函數 以上6 個函數的返回值都是：成功返回0， 失敗直接返回錯誤號。 pthread_cond_t類型 用于定義條件變量 pthread_cond_t cond;

pthread_cond_init函數

初始化一個條件變量

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);

參2：attr表條件變量屬性，通常為默認值，傳NULL即可

也可以使用靜態初始化的方法，初始化條件變量：

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

pthread_cond_destroy函數

銷毀一個條件變量

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

pthread_cond_wait函數

阻塞等待一個條件變量

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);

函數作用：

a. 阻塞等待條件變量cond（參1）滿足

b. 釋放已掌握的互斥鎖（解鎖互斥量）相當于pthread_mutex_unlock(&mutex);

a.b.兩步為一個原子操作。

c. 當被喚醒，pthread_cond_wait函數返回時，解除阻塞并重新申請獲取互斥鎖pthread_mutex_lock(&mutex);

pthread_cond_timedwait函數

限時等待一個條件變量

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

參3： 參看man?sem_timedwait函數，查看struct?timespec結構體。

struct timespec { time_t tv_sec; /* seconds */ 秒 long tv_nsec; /* nanosecondes*/ 納秒 }

形參abstime：絕對時間。

如：time(NULL)返回的就是絕對時間。而alarm(1)是相對時間，相對當前時間定時1秒鐘。

struct timespec t = {1, 0};

pthread_cond_timedwait (&cond, &mutex, &t);?只能定時到 1970年1月1日 00:00:01秒(早已經過去)

正確用法：

time_t cur = time(NULL); 獲取當前時間。 struct timespec t; 定義timespec 結構體變量t t.tv_sec = cur+1; 定時1秒 pthread_cond_timedwait (&cond, &mutex, &t); 傳參 參APUE.11.6線程同步條件變量小節 在講解setitimer函數時我們還提到另外一種時間類型： struct timeval { time_t tv_sec; /* seconds */ 秒 suseconds_t tv_usec; /* microseconds */ 微秒 };

pthread_cond_signal函數

喚醒至少一個阻塞在條件變量上的線程

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

pthread_cond_broadcast函數

喚醒全部阻塞在條件變量上的線程

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

3）生產者消費者條件變量模型

線程同步典型的案例即為生產者消費者模型，而借助條件變量來實現這一模型，是比較常見的一種方法。假定有兩個線程，一個模擬生產者行為，一個模擬消費者行為。兩個線程同時操作一個共

享資源（一般稱之為匯聚），生產向其中添加產品，消費者從中消費掉產品。

看如下示例，使用條件變量模擬生產者、消費者問題：

條件變量實現生產者消費者模型

1 #include 2 #include 3 #include 4 #include 5 6 int begin_num = 1000; 7 8 pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; 9 pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER; 10 11 typedef struct _ProdInfo{ 12 int num; 13 struct _ProdInfo *next; 14 }ProdInfo; 15 16 ProdInfo *Head = NULL; 17 18 void *thr_producter(void *arg) 19 { 20 //負責在鏈表添加數據 21 while(1) 22 { 23 ProdInfo *prod = malloc(sizeof(ProdInfo)); 24 prod->num = begin_num++; 25 printf("funcname = %s, self = %lu, data = %d\n", __FUNCTION__, pthread_self(), prod->num); 26 27 pthread_mutex_lock(&mutex); 28 //add to list 29 prod->next = Head; 30 Head = prod; 31 pthread_mutex_unlock(&mutex); 32 33 //發起通知 34 pthread_cond_signal(&cond); 35 sleep(rand()%3); 36 } 37 38 return NULL; 39 } 40 41 void *thr_consumer(void *arg) 42 { 43 ProdInfo *prod = NULL; 44 45 while(1) 46 { 47 //取鏈表的數據 48 pthread_mutex_lock(&mutex); 49 //if (Head == NULL) 50 while (Head == NULL) 51 { 52 pthread_cond_wait(&cond, &mutex); //在此之前必須先加鎖 53 } 54 prod = Head; 55 Head = Head->next; 56 printf("funcname = %s, self = %lu, data = %d\n", __FUNCTION__, pthread_self(), prod->num); 57 pthread_mutex_unlock(&mutex); 58 sleep(rand()%3); 59 free(prod); 60 } 61 62 return NULL; 63 } 64 65 int main() 66 { 67 pthread_t tid[3]; 68 pthread_create(&tid[0], NULL, thr_producter, NULL); 69 pthread_create(&tid[1], NULL, thr_consumer, NULL); 70 pthread_create(&tid[2], NULL, thr_consumer, NULL); 71 72 pthread_join(tid[0], NULL); 73 pthread_join(tid[1], NULL); 74 pthread_join(tid[2], NULL); 75 76 pthread_mutex_destroy(&mutex); 77 pthread_cond_destroy(&cond); 78 79 return 0; 80 }

4）條件變量的優點

相較于mutex而言，條件變量可以減少競爭。

如直接使用mutex，除了生產者、消費者之間要競爭互斥量以外，消費者之間也需要競爭互斥量，但如果匯聚（鏈表）中沒有數據，消費者之間競爭互斥鎖是無意義的。有了條件變量機制以后，只有

生產者完成生產，才會引起消費者之間的競爭。提高了程序效率。

（4）信號量

1）概念

進化版的互斥鎖（1 --> N）

由于互斥鎖的粒度比較大，如果我們希望在多個線程間對某一對象的部分數據進行共享，使用互斥鎖是沒有辦法實現的，只能將整個數據對象鎖住。這樣雖然達到了多線程操作共享數據時保證數

據正確性的目的，卻無形中導致線程的并發性下降。線程從并行執行，變成了串行執行。與直接使用單進程無異。

信號量，是相對折中的一種處理方式，既能保證同步，數據不混亂，又能提高線程并發。

2）主要應用函數

sem_init函數 sem_destroy函數 sem_wait函數 sem_trywait函數 sem_timedwait函數 sem_post函數 以上6 個函數的返回值都是：成功返回0， 失敗返回-1，同時設置errno。(注意，它們沒有pthread前綴) sem_t類型，本質仍是結構體。但應用期間可簡單看作為整數，忽略實現細節（類似于使用文件描述符）。 sem_t sem; 規定信號量sem不能 < 0。頭文件

信號量基本操作：

sem_wait:

a. 信號量大于0，則信號量-- （類比pthread_mutex_lock）

b. 信號量等于0，造成線程阻塞

對應 ->

sem_post： 將信號量++，同時喚醒阻塞在信號量上的線程 （類比pthread_mutex_unlock）

但由于sem_t的實現對用戶隱藏，所以所謂的++、--操作只能通過函數來實現，而不能直接++、--符號。

信號量的初值，決定了占用信號量的線程的個數。

sem_init函數

初始化一個信號量

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

參1：sem信號量

參2：pshared取0用于線程間；取非0（一般為1）用于進程間

參3：value指定信號量初值

sem_destroy函數

銷毀一個信號量

int sem_destroy(sem_t *sem);

sem_wait函數

給信號量加鎖 --

int sem_wait(sem_t *sem);

sem_post函數

給信號量解鎖 ++

int sem_post(sem_t *sem);

sem_trywait函數

嘗試對信號量加鎖 -- (與sem_wait的區別類比lock和trylock)

int sem_trywait(sem_t *sem);

sem_timedwait函數

限時嘗試對信號量加鎖 --

int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);

參2：abs_timeout采用的是絕對時間。

定時1秒： time_t cur = time(NULL); 獲取當前時間。 struct timespec t; 定義timespec 結構體變量t t.tv_sec = cur+1; 定時1秒 t.tv_nsec = t.tv_sec +100; sem_timedwait(&sem, &t); 傳參

3）生產者消費者信號量模型

使用信號量完成線程間同步，模擬生產者，消費者問題。

信號量實現生產者消費者模型

1 #include 2 #include 3 #include 4 #include 5 #include 6 7 //blank -- 生產者 8 //xfull -- 消費者 9 sem_t blank, xfull; 10 #define _SEM_CNT_ 5 11 12 int queue[_SEM_CNT_]; //存放生產者數據 13 int begin_num = 100; 14 15 void *thr_producter(void *arg) 16 { 17 int i = 0; 18 while(1) 19 { 20 sem_wait(&blank); //申請資源 blank-- 21 printf("funcname = %s, self = %lu, num = %d\n", __FUNCTION__, pthread_self(), begin_num); 22 queue[(i++)%_SEM_CNT_] = begin_num++; 23 sem_post(&xfull); //xfull++ 24 sleep(rand()%3); 25 } 26 27 return NULL; 28 } 29 void *thr_consumer(void *arg) 30 { 31 int i = 0; 32 int num = 0; 33 while(1) 34 { 35 sem_wait(&xfull); 36 num = queue[(i++)%_SEM_CNT_]; 37 printf("funcname = %s, self = %lu, num = %d\n", __FUNCTION__, pthread_self(), num); 38 sem_post(&blank); 39 sleep(rand()%3); 40 } 41 42 return NULL; 43 } 44 45 int main() 46 { 47 sem_init(&blank, 0, _SEM_CNT_); 48 sem_init(&xfull, 0, 0); //消費者一開始初始化，默認沒有產品 49 50 pthread_t tid[2]; 51 pthread_create(&tid[0], NULL, thr_producter, NULL); 52 pthread_create(&tid[1], NULL, thr_consumer, NULL); 53 54 pthread_join(tid[0], NULL); 55 pthread_join(tid[1], NULL); 56 57 sem_destroy(&blank); 58 sem_destroy(&xfull); 59 60 return 0; 61 }

（5）進程間同步

互斥量mutex

進程間也可以使用互斥鎖，來達到同步的目的。但應在pthread_mutex_init初始化之前，修改其屬性為進程間共享。mutex的屬性修改函數主要有以下幾個。

主要應用函數：

pthread_mutexattr_t mattr 類型： 用于定義mutex鎖的【屬性】 pthread_mutexattr_init函數： 初始化一個mutex屬性對象 int pthread_mutexattr_init(pthread_mutexattr_t *attr); pthread_mutexattr_destroy函數： 銷毀mutex屬性對象 (而非銷毀鎖) int pthread_mutexattr_destroy(pthread_mutexattr_t *attr); pthread_mutexattr_setpshared函數： 修改mutex屬性。 int pthread_mutexattr_setpshared(pthread_mutexattr_t *attr, int pshared); 參2：pshared取值： 線程鎖：PTHREAD_PROCESS_PRIVATE (mutex的默認屬性即為線程鎖，進程間私有) 進程鎖：PTHREAD_PROCESS_SHARED

進程間mutex示例：

進程間使用mutex來實現通信

1 #include 2 #include 3 #include 4 #include 5 6 struct mt{ 7 int num; 8 pthread_mutex_t mutex; 9 pthread_mutexattr_t mutexattr; 10 }; 11 12 int main(void) 13 { 14 int fd, i; 15 struct mt *mm; 16 pid_t pid; 17 18 fd = open("mt_test", O_CREAT | O_RDWR, 0777); 19 ftruncate(fd, sizeof(*mm)); 20 mm = mmap(NULL, sizeof(*mm), PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); 21 close(fd); 22 unlink("mt_test"); 23 //mm = mmap(NULL, sizeof(*mm), PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANON, -1, 0); 24 memset(mm, 0, sizeof(*mm)); 25 pthread_mutexattr_init(&mm->mutexattr); //初始化mutex屬性對象 26 pthread_mutexattr_setpshared(&mm->mutexattr, PTHREAD_PROCESS_SHARED); //修改屬性為進程間共享 27 pthread_mutex_init(&mm->mutex, &mm->mutexattr); //初始化一把mutex瑣 28 pid = fork(); 29 if (pid == 0) { 30 for (i = 0; i < 10; i++) { 31 pthread_mutex_lock(&mm->mutex); 32 (mm->num)++; 33 printf("-child----num++ %d\n", mm->num); 34 pthread_mutex_unlock(&mm->mutex); 35 sleep(1); 36 } 37 } else if (pid > 0) { 38 for ( i = 0; i < 10; i++) { 39 sleep(1); 40 pthread_mutex_lock(&mm->mutex); 41 mm->num += 2; 42 printf("-parent---num+=2 %d\n", mm->num); 43 pthread_mutex_unlock(&mm->mutex); 44 } 45 wait(NULL); 46 } 47 48 pthread_mutexattr_destroy(&mm->mutexattr); //銷毀mutex屬性對象 49 pthread_mutex_destroy(&mm->mutex); //銷毀mutex 50 munmap(mm,sizeof(*mm)); //釋放映射區 51 52 return 0; 53 }

（6）文件鎖

借助 fcntl函數來實現鎖機制。 操作文件的進程沒有獲得鎖時，可以打開，但無法執行read、write操作。

fcntl函數： 獲取、設置文件訪問控制屬性。

int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

參2：

F_SETLK (struct flock *) 設置文件鎖（trylock） F_SETLKW (struct flock *) 設置文件鎖（lock）W --> wait F_GETLK (struct flock *) 獲取文件鎖

參3：

struct flock { ... short l_type; 鎖的類型：F_RDLCK 、F_WRLCK 、F_UNLCK short l_whence; 偏移位置：SEEK_SET、SEEK_CUR、SEEK_END off_t l_start; 起始偏移：1000 off_t l_len; 長度：0表示整個文件加鎖 pid_t l_pid; 持有該鎖的進程ID：(F_GETLK only) ... };

進程間文件鎖示例：

進程間文件鎖

1 #include 2 #include 3 #include 4 #include 5 #include 6 #include 7 8 #define __FILE_NAME__ "/opt/linuxC/09-linux-day09/temp.lock" 9 10 int main() 11 { 12 int fd = open(__FILE_NAME__, O_RDWR|O_CREAT, 0666); 13 if (fd < 0) 14 { 15 perror("open err:"); 16 return -1; 17 } 18 19 struct flock lk; 20 lk.l_type = F_WRLCK; 21 lk.l_whence = SEEK_SET; 22 lk.l_start = 0; 23 lk.l_len = 0; 24 25 if (fcntl(fd, F_SETLK, &lk) < 0) 26 { 27 perror("get lock err:"); 28 exit(1); 29 } 30 //核心邏輯 31 while(1) 32 { 33 printf("I am alive!\n"); 34 sleep(1); 35 } 36 return 0; 37 }

依然遵循“讀共享、寫獨占”特性。但！如若進程不加鎖直接操作文件，依然可訪問成功，但數據勢必會出現混亂。

【思考】：多線程中，可以使用文件鎖嗎？

多線程間共享文件描述符，而給文件加鎖，是通過修改文件描述符所指向的文件結構體中的成員變量來實現的。因此，多線程中無法使用文件鎖。

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