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系统编程.10 同步和互斥

news 2025/9/13 11:04:19

1.同步和互斥

一个公共资源同一时刻只能被一个进程或线程访问。

互斥：当多个进程或线程需要访问同一个公共资源的时候，不能同时使用，需要抢占。

同步：当多个进程或线程需要访问同一个公共资源的时候，不能同时使用，需要按照约定好的顺序使用。

1.1 互斥锁

互斥锁是一种简单加锁的方式来控制共享资源访问的方法。

互斥锁有两种状态：加锁（lock）和解锁（unlock）。

操作流程：

在访问共享资源后临界区域前，对互斥锁进行加锁。谁加上锁，就归谁使用
在访问完成后释放互斥锁导上的锁。
对互斥锁进行加锁后，任何其他试图再次对互斥锁加锁的线程将会被阻塞，直到锁被释放。

数据类型：pthread_mutex_t

1.2 API

1.2.1 pthread_mutex_init（）

#include <pthread.h>
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,const pthread_mutex_attr_t *restrict attr);

函数功能：

初始化一个互斥锁

参数：

mutex：互斥锁地址。类型是 pthread_mutex_t 。
attr：设置互斥量的属性，通常可采用默认属性，即可将 attr 设为 NULL。

返回值：

成功：0（申请成功的锁默认打开）
失败：非0错误码

静态初始化互斥锁：

使用宏 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 静态初始化互斥锁，比如：
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER
等价于使用 NULL 指定的 attr 参数调用 pthread_mutex_init(&mutex ,NULL) 来完成动态初始化，不同之处在于THREAD_MUTEX_INITIALIZER 宏不进行错误检查。

1.2.2 int pthread_mutex_destroy（）

#include <pthread.h>
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

函数功能：

销毁指定的互斥锁。

参数：

mutex：互斥锁地址。

返回值:

成功：0
失败：非 0 错误码

1.2.3 pthread_mutex_lock（）

#include <pthread.h>
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

函数功能：

对互斥锁上锁，若互斥锁已经上锁，则调用者阻塞，直到互斥锁解锁后再上锁。

参数：

mutex：互斥锁地址。

返回值：

成功：0
失败：非 0 错误码

1.2.4 pthread_mutex_unlock（）

#include <pthread.h>
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

函数功能：

对互斥锁解锁。

参数：

mutex：互斥锁地址。

返回值：

成功：0
失败：非 0 错误码

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>pthread_mutex_t mutex;void *print(void *argv);
void *func1(void *argv);
void *func2(void *argv);int main(int argc, char const *argv[])
{pthread_t pt1,pt2;pthread_mutex_init(&mutex,NULL) ;pthread_create(&pt1,NULL,func1,"helloworld");pthread_create(&pt2,NULL,func2,"goodnightworld");pthread_join(pt1,NULL);pthread_join(pt2,NULL);pthread_mutex_destroy(&mutex);return 0;
}void *print(void *argv)
{int i=0;char *p=(char *)argv;while (*p!='\0'){printf("%c",p[i]);fflush(stdout);i++;sleep(1);}return 0;
}void *func1(void *argv)
{pthread_mutex_lock(&mutex);print(argv);pthread_mutex_unlock(&mutex);return NULL;
}
void *func2(void *argv)
{pthread_mutex_lock(&mutex);print(argv);pthread_mutex_unlock(&mutex);return NULL;
}

实现互斥只需要一把锁。

2.死锁

情况1：线程抢占资源后，由于某种原因突然消失，导致一直无法解锁。

情况2：两个线程同时执行，一个线程申请另一个正在使用的资源

情况3：两个线程同时申请另一个正在使用的资源

解决方法：

进程开始前，一次性申请需要的所有资源
允许进程只获得初期的资源就开始运行，运行完释放，再申请新的资源

3.条件变量

条件变量是用来等待而不是用来上锁的，条件变量本身不是锁！

条件变量用来自动阻塞一个线程，直到某特殊情况发生为止。

通常条件变量和互斥锁同时使用。

条件变量的两个动作：条件不满, 阻塞线程当条件满足, 通知阻塞的线程开始工作。

3.1 API

3.1.1 初始化

#include <pthread.h>
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,const pthread_condattr_t *restrict attr);

函数功能：

初始化一个条件变量

参数：

cond：指向要初始化的条件变量指针。
attr：条件变量属性，通常为默认值，传 NULL 即可

返回值：

成功：0
失败：非 0 错误码

静态初始化：pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

等价于：pthread_cond_init（&cond,NULL）

3.1.2 pthread_cond_destroy（）

#include <pthread.h>
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

函数功能：

销毁一个条件变量

参数：

cond：指向要初始化的条件变量指针。

返回值：

成功：0
失败：非 0 错误码

3.1.3 pthread_cond_wait（）

#include <pthread.h>
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);

函数功能：

阻塞等待一个条件变量

a) 阻塞等待条件变量 cond（参 1）满足
b) 释放已掌握的互斥锁（解锁互斥量）相当于 pthread_mutex_unlock(&mutex);
a)b) 两步为一个原子操作(一起执行，没有中间态)。
c) 当被唤醒，pthread_cond_wait 函数返回时，解除阻塞并重新申请获取互斥锁 pthread_mutex_lock(&mutex);

参数：

cond：指向要初始化的条件变量指针
mutex：互斥锁

返回值：

成功：0
失败：非 0 错误号

3.1.4 唤醒所有

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

函数功能:

唤醒全部阻塞在条件变量上的线程

参数：

cond：指向要初始化的条件变量指针

返回值：

成功：0
失败：非 0 错误号

4. 读写锁

特点：

如果有其它线程读数据，则允许其它线程执行读操作，但不允许写操作。
如果有其它线程写数据，则其它线程都不允许读、写操作

规则：

如果某线程申请了读锁，其它线程可以再申请读锁，但不能申请写锁。
如果某线程申请了写锁，其它线程不能申请读锁，也不能申请写锁。

4.1 API

4.1.1 pthread_rwlock_init（）

#include <pthread.h>
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);

函数功能：

用来初始化 rwlock 所指向的读写锁。

参数：

rwlock：指向要初始化的读写锁指针。
attr：读写锁的属性指针。如果 attr 为 NULL 则会使用默认的属性初始化读写锁，否则使用指定的 attr 初始化读写锁。

返回值：

成功：0，读写锁的状态将成为已初始化和已解锁。
失败：非 0 错误码。

静态初始化读写锁：
pthread_rwlock_t my_rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;
等价于pthread_rwlock_init(&rwlock,NULL) 来完成动态初始化，不同之处在于 PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER 宏不进行错误检查。

4.1.2 int pthread_rwlock_destroy（）

#include <pthread.h>
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

函数功能：

用于销毁一个读写锁，并释放由 pthread_rwlock_init() 自动申请的资源。

参数：

rwlock：读写锁指针。

返回值：

成功：0。
失败：非 0 错误码。

4.1.3 pthread_rwlock_rdlock（）

#include <pthread.h>
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

函数功能：

如果调用线程未获取读锁，则它将阻塞直到它获取了该锁。一个线程可以在一个读写锁上多次执行读锁定。(如果有人在写，那么就不能申请读锁，所以会阻塞)
线程可以成功调用 pthread_rwlock_rdlock() 函数 n 次，但是之后该线程必须调用 pthread_rwlock_unlock() 函数 n。次才能解除锁定。（保持次数一致）

参数：