线程的同步

线程的同步

同步：

让所有的线程获取锁，按照一定的顺序。按照一定的顺序获取资源就是同步。 （顺序性）

条件变量：

条件变量必须依赖于锁的使用

pthread_cond_init():

是用于初始化条件变量的函数，条件变量是多线程编程中的一种同步机制，允许线程在等待某个条件满足时进入休眠状态，并在条件满足时被唤醒。条件变量通常与互斥锁一起使用，以防止竞争条件。

函数原型:

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

参数

• cond: 指向要初始化的条件变量的指针。
• attr: 指向条件变量属性对象的指针。如果传递 NULL，则使用默认属性。

返回值

• 成功时返回 0。
• 失败时返回一个错误码。

pthread_cond_wait()

是 POSIX 线程库中用于条件变量等待的函数。它使线程进入等待状态，直到某个条件满足。在此过程中，pthread_cond_wait() 会自动释放与条件变量关联的互斥锁，并在条件变量被唤醒时重新获取该互斥锁。这种行为可以防止等待条件的线程占用互斥锁，使得其他线程可以修改条件并唤醒等待线程。

函数原型

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

• cond: 指向条件变量的指针。
• mutex: 指向与条件变量关联的互斥锁的指针。

返回值

• 返回 0 表示成功。
• 返回错误码表示失败（例如：EINVAL 表示无效的条件变量或互斥锁，EPERM 表示互斥锁未被调用线程持有）。

pthread_cond_signal

是 POSIX 线程库中用于条件变量的一个函数。它的作用是唤醒至少一个等待在指定条件变量上的线程。条件变量通常和互斥锁一起使用，以实现线程间的同步。

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

• cond：指向条件变量的指针（pthread_cond_t 类型）。
• 返回值：如果成功返回 0，如果失败返回错误代码。

pthread_cond_signal 唤醒一个（至少一个）等待在 cond 条件变量上的线程。如果有多个线程在这个条件变量上等待，则唤醒其中的一个线程。该函数不会确保唤醒哪个具体线程，这是由操作系统调度器决定的。

使用场景

条件变量通常用于线程之间的等待和通知机制。例如，生产者-消费者问题中，消费者可能在条件变量上等待，直到生产者生成了新数据并发出信号。

条件变量的典型使用流程

1. 等待线程：通常使用 pthread_cond_wait 或 pthread_cond_timedwait 函数等待某个条件。

   • 在调用 pthread_cond_wait 之前，必须持有与该条件变量关联的互斥锁（pthread_mutex_t）。
   • 当条件满足并从等待中返回时，线程会自动重新持有该互斥锁。

2. 通知线程：当条件满足时，调用 pthread_cond_signal（唤醒一个线程）或者 pthread_cond_broadcast（唤醒所有等待的线程）来通知等待的线程。

例子

以下是一个简单的生产者-消费者模型的例子，展示了如何使用 pthread_cond_signal：

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
int ready = 0; // 共享资源：表示是否有可供消费的数据void* consumer(void* arg) {pthread_mutex_lock(&mutex);// 等待数据准备好while (!ready) {printf("Consumer waiting for data...\n");pthread_cond_wait(&cond, &mutex); // 等待条件变量信号}printf("Consumer received signal and consumed data!\n");// 释放互斥锁pthread_mutex_unlock(&mutex);return NULL;
}void* producer(void* arg) {sleep(1); // 模拟生产者生成数据的过程pthread_mutex_lock(&mutex);ready = 1; // 生产者准备好数据printf("Producer produced data and sending signal...\n");pthread_cond_signal(&cond); // 发出条件信号，唤醒一个等待线程pthread_mutex_unlock(&mutex);return NULL;
}int main() {pthread_t producer_thread, consumer_thread;// 创建消费者和生产者线程pthread_create(&consumer_thread, NULL, consumer, NULL);pthread_create(&producer_thread, NULL, producer, NULL);// 等待线程完成pthread_join(consumer_thread, NULL);pthread_join(producer_thread, NULL);return 0;
}

消费者线程：进入 pthread_cond_wait 状态，等待条件变量上的信号。pthread_cond_wait 会自动释放 mutex，使其他线程可以访问共享资源。

生产者线程：生成数据后，发出 pthread_cond_signal 信号，通知等待的消费者。

当消费者被唤醒后，它重新获取互斥锁并处理共享资源。

pthread_cond_broadcast

是 POSIX 线程库中的一个函数，用于唤醒等待在指定条件变量上的所有线程。与 pthread_cond_signal 不同，pthread_cond_signal 只唤醒一个等待的线程，而 pthread_cond_broadcast 会唤醒所有等待线程。

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

cond：指向条件变量的指针（类型为 pthread_cond_t）。
返回值：如果成功返回 0，如果失败返回错误代码。

pthread_cond_broadcast 唤醒所有当前等待在 cond 条件变量上的线程。通常用于多个线程可能需要响应某个条件变化的场景。这些线程会尝试重新获得与条件变量关联的互斥锁，并在锁定成功后继续执行。

cp问题

生产者 VS 生产者 ： 竞争关系，互斥关系

生产者 VS 消费者 ：互斥关系，原子性。同步。

消费者 VS 消费者 ： 互斥关系

3种关系，2种角色–生产者消费者，1个消费场所–特定结构的内存空间

优点：支持忙闲不均。生产与消费进行解耦。

伪唤醒

在生产消费者模型下，队列还剩余一个被生产满，刚好这时唤醒了一批线程，其中一个抢到了锁，并将队列生产满，释放锁之后，这个锁又刚好被上次唤醒的线程抢到，又要去执行生产任务，但是队列是满的，所以就发生了伪唤醒的情况。

信号量

POSIX信号量和SystemV信号量作用相同，都是用于同步操作，达到无冲突的访问共享资源目的。 但POSIX可以用于线程间同步。

//始化信号量
#include <semaphore.h>
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
//参数：
//pshared:0表示线程间共享，非零表示进程间共享
//value：信号量初始值//销毁信号量
int sem_destroy(sem_t *sem);//等待信号量
//功能：等待信号量，会将信号量的值减1
int sem_wait(sem_t *sem); //P()//发布信号量
//功能：发布信号量，表示资源使用完毕，可以归还资源了。将信号量值加1。
int sem_post(sem_t *sem);//V()

基于环形队列的生产消费者模型：

多线程的互斥用信号量：

信号量可以用于控制多个线程对共享资源的访问，尤其是在需要限制并发数量的场合。比如，使用计数信号量可以允许一定数量的线程同时访问资源，从而实现并发控制。

单线程的互斥用锁：

锁（如互斥锁）适合于保护共享资源的独占访问，确保在任何时刻只有一个线程能够进入临界区。单线程的情况下，锁的使用更为简单和直接，因为不需要管理并发访问的复杂性。

• 信号量适用于多线程环境下的资源计数和控制，并发访问。
• 锁更适合于需要独占访问的情境，确保数据一致性。
  可以允许一定数量的线程同时访问资源，从而实现并发控制。