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c++ linux 线程等待与唤醒_Linux线程同步(互斥量、信号量、条件变量、生产消费者模型)...

發布時間：2025/5/22 linux 15 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了 c++ linux 线程等待与唤醒_Linux线程同步(互斥量、信号量、条件变量、生产消费者模型)... 小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

為什么要線程同步？

線程間有很多共享資源，都對一個共享數據讀寫操作，線程操作共享資源的先后順序不確定，可能會造成數據的沖突

看一個例子

兩個線程屏行對全局變量count++ (采用一個val值作為中間變量，模擬寄存器工作方式，后面會詳解)

#include <stdlib.h> #include <pthread.h> #include <unistd.h>#define NLOOP 5000 //循環次數int count = 0;//全局資源void* func(void* p) {int i,val;for (i = 0; i < NLOOP; i++){val = count;printf("count = %dn",val+1);count = val + 1;usleep(100);//減緩線程執行速度，增加資源沖突概率}return NULL; }int main() {pthread_t tidA, tidB;pthread_create(&tidA, NULL, &func, NULL);//線程A 對count++pthread_create(&tidB, NULL, &func, NULL);//線程B 對count++sleep(1);pthread_join(tidA, NULL);pthread_join(tidB, NULL);return 0; }

第一次執行結果

第二次執行結果

第三次執行結果

一段代碼執行三次出現不同的結果，這是為什么？就是因為兩個線程同時對共享資源進行操作，導致CPU處理共享資源出現錯誤

寄存器處理數據+1操作一般分為三步

從內存讀變量值到寄存器
寄存器的值加1
將寄存器的值寫回內存

假設變量值為5那么CPU執行線程A，將變量讀到寄存器中，寄存器的值+1（正在加，此時值還為5），同時線程B將變量從內存中讀走（值也為5），線程A將寄存器值寫回變量（此時值為6），之后線程B處理完寫回變量（此時值還是為6）

那么怎么解決這種情況發生？

一、互斥量

互斥量是pthread_mutex_t類型的變量。
互斥量有兩種狀態：lock（上鎖）、unlock（解鎖）
當對一個互斥量加鎖后，其他任何試圖訪問互斥量的線程都會被堵塞，直到當前線程釋放互斥鎖上的鎖。如果釋放互斥量上的鎖后，有多個堵塞線程，這些線程只能按一定的順序得到互斥量的訪問權限，完成對共享資源的訪問后，要對互斥量進行解鎖，否則其他線程將一直處于阻塞狀態。

簡單理解為：超市中的儲存柜，當有人使用儲存柜后，其他人使用不了，只能等待使用者使用完，再使用

互斥量操作原理

創建鎖可以通過直接定義鎖，或者調用初始化鎖函數，二選一

#include <pthread.h>//pthread_mutex_t是鎖類型，用來定義互斥鎖 pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;//互斥鎖的初始化 //restrict，C語言中的一種類型限定符，用于告訴編譯器，對象已經被指針所引用，不能通過除該指針外所有其他直接或間接的方式修改該對象的內容。第二個參數一般為NULL int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);//上鎖 int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);//判斷是否上鎖 //返回值：0表示已上鎖，非0表示未上鎖。 int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);//解鎖 int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);//銷毀互斥鎖 int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

對之前的例子加上互斥量

#include <stdlib.h> #include <pthread.h> #include <unistd.h>#define NLOOP 5000 //循環次數int count = 0;//全局資源 pthread_mutex_t counter_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;//定義鎖void* func(void* p) {int i, val;for (i = 0; i < NLOOP; i++){pthread_mutex_lock(&counter_mutex);//上鎖val = count;printf("count = %dn", val + 1);count = val + 1;pthread_mutex_unlock(&counter_mutex);//解鎖usleep(100);//減緩線程執行速度，增加資源沖突概率}return NULL; }int main() {pthread_t tidA, tidB;pthread_create(&tidA, NULL, &func, NULL);//線程A 對count++pthread_create(&tidB, NULL, &func, NULL);//線程B 對count++sleep(1);pthread_join(tidA, NULL);pthread_join(tidB, NULL);return 0; }

不管怎么執行，結果都是10000次

死鎖的情況

同一個線程已擁有A鎖的情況下，再次請求獲取A鎖，導致線程阻塞
解決方法：使用完資源后立刻解鎖
線程一擁有A鎖，再次請求獲取B鎖，同時線程二擁有B鎖，請求獲取A鎖，導致線程阻塞
解決方法：當擁有鎖的情況下，請求獲取另外一把鎖失敗時，釋放已擁有的鎖

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二、條件變量

條件變量就是一個變量，用來自動阻塞一個線程，直到某特殊情況發生為止。
條件變量是用來等待事件
通常條件下變量和互斥鎖同時使用。

條件變量操作原語

#include <pthread.h>//全局定義條件變量 pthread_cond_t has_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER;//初始化條件變量 //cond參數為條件變量指針，通過該函數實現條件變量賦初值；cond_attr參數通常為NULL int　pthread_cond_init(pthread_cond_t　*cond,pthread_condattr_t　*cond_attr); //銷毀條件變量 int　pthread_cond_destroy(pthread_cond_t　*cond);　//自動釋放mutex鎖，等待條件滿足 //這個函數的過程我們必須了解，首先對互斥鎖進行解鎖；然后自身堵塞等待；當等待條件達成，注意這時候函數并未返回，而是重新獲得鎖并返回。 int　pthread_cond_wait(pthread_cond_t　*cond,pthread_mutex_t　*mutex);//自動釋放mutex鎖，等待條件滿足，如果在abstime時間內還沒有滿足，則返回錯誤 int　pthread_cond_timewait(pthread_cond_t　*cond,pthread_mutex　*mutex,const　timespec　*abstime);//讓等待條件滿足的線程中某一個被喚醒 int　pthread_cond_signal(pthread_cond_t　*cond);//讓等待條件滿足的線程中全部被喚醒 (廣播) int　pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t　*cond);

生產者消費模型

流程首先消費者需要訪問共享資源首先要去拿到鎖訪問條件變量，條件變量說現在還沒有資源，所以消費者釋放鎖，阻塞等待，直到生產者生產出資源后，將資源先放到公共區后，再告訴條件變量，現在有資源了，然后條件變量再去喚醒阻塞線程，這些阻塞的線程被喚醒后需要去爭搶鎖，先拿到鎖的線程優先訪問共享資源

實例

#include <stdlib.h> #include <pthread.h> #include <stdio.h>typedef struct msg {struct msg *next;int num; }MSG_T;MSG_T *head;//消息頭結點pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;//互斥鎖 //pthread_cond_t has_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER; //條件變量本文通過init定義條件變量 pthread_cond_t mycond;//生產者 void *producer(void *p) {MSG_T* mp;for (;;) {mp = malloc( sizeof(MSG_T) );mp->num = rand() % 1000 + 1;//生成隨機數1到1000printf("Produce %dn", mp->num);//將資源放入公共區pthread_mutex_lock(&lock);mp->next = head;head = mp;pthread_mutex_unlock(&lock);//通知條件變量喚醒線程pthread_cond_signal(&mycond);sleep(rand() % 5);} }//消費者 void *consumer(void *p) {MSG_T* mp;for (;;) {pthread_mutex_lock(&lock);//上鎖while (head == NULL)//當沒有數據時，wait阻塞等待pthread_cond_wait(&mycond, &lock);//當沒有拿到鎖的時候釋放鎖并等待mp = head;head = mp->next;pthread_mutex_unlock(&lock);//解鎖printf("Consume %dn", mp->num);free(mp);sleep(rand() % 5);} }int main(int argc, char *argv[]) {pthread_t pid, cid;if (pthread_cond_init(&mycond, NULL) != 0){printf("cond error'n");exit(1);}srand(time(NULL));//加入隨機因子pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);pthread_join(pid, NULL);pthread_join(cid, NULL);return 0; }

運行結果

三、信號量

信號量分為有名信號量和無名信號量，這里主要介紹無名信號量，用于線程同步，有名信號量一般是用于進程之間管理。
信號量本質上是一個非負的整數計數器，它被用來控制對公共資源的訪問，也被稱為PV原子操作
P操作，即信號量sem減一的過程，如果sem小于等于0，P操作被堵塞，直到sem變量大于0為止。P操作及加鎖過程。
V操作，即信號量sem加一的過程。V操作及解鎖過程。

簡單理解：假設現在有五把鑰匙，當有人拿走一把后（P操作），就剩4把鑰匙，直到鑰匙被拿完，后面的人需要等待，直到使用者將鑰匙歸還（V操作）

信號量操作原理

#include <semaphore.h>//初始化 //sem: 要進行初始化的信號量對象 //pshared：控制著信號量的類型，如果值為0，表示它是當前進程的局部信號量；否則，其他進程就能夠共享這個信號量 //value：賦給信號量對象的一個整數類型的初始值調用成功時返回 0； int sem_init(sem_t *sem,int pshared,unsigned value);//p操作 -1 int sem_wait(sem_t *sem);//v操作 +1 int sem_post(sem_t *sem);//銷毀信號量 int sem_destory(sem_t *sem);

信號量的生產消費者模型

#include <stdlib.h> #include <pthread.h> #include <stdio.h> #include <semaphore.h>#define NUM 5int queue[NUM];//定義一個環形隊列 sem_t blank_number, product_number;//定義兩個信號量//生產者 void *producer(void *arg) {int p = 0;while (1) {sem_wait(&blank_number);//信號量blank_number--，可以比喻成盤子（最多5個盤子）盤子數量-1，queue[p] = rand() % 1000 + 1;//產生隨機數printf("Produce %dn", queue[p]);sem_post(&product_number);//信號量product_number++ ，比喻成菜，現在菜的數量+1 消費者可以使用p = (p + 1) % NUM;//隊列下標偏移sleep(rand() % 5);} }//消費者 void *consumer(void *arg) {int c = 0;while (1) {sem_wait(&product_number);//信號量product_number--，現在菜的數量-1printf("Consume %dn", queue[c]);queue[c] = 0;//清空當前下標隊列sem_post(&blank_number);//信號量 blank_number++，資源使用完了盤子數量+1c = (c + 1) % NUM;//隊列下標偏移sleep(rand() % 5);} }int main(int argc, char *argv[]) {pthread_t pid, cid;sem_init(&blank_number, 0, NUM);//值為5sem_init(&product_number, 0, 0);//初始值為0pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);pthread_join(pid, NULL);pthread_join(cid, NULL);sem_destroy(&blank_number);sem_destroy(&product_number);return 0; }