《Linux系统编程手册》 - 30-线程同步 - 《Linux系统编程》

第30章线程同步
- 互斥量
  - 类型
  - 死锁
条件变量
自旋锁
屏障

第30章线程同步

互斥量

线程的主要优势是通过全局变量共享信息，这种便捷性的代价是必须确保多个线程不会同时修改同一变量，互斥量本质上是一把锁，使用前必须初始化，或者用静态分配的常量PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER，或者用pthread_mutex_init进行初始化，用pthread_mutex_destroy释放内存

#include <pthread.h>
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t * __restrict mutex,
        const pthread_mutexattr_t * __restrict attr);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
// 两个函数返回值：若成功，返回0，若出错，返回错误编号

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t *mutex， const struct timespec *astime);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
// 四个函数返回值：若成功，返回0，若出错，返回错误编号
// pthread_mutex_lock：如果互斥量当前未锁定，则锁定互斥量并立即返回，否则一直阻塞；如果被同一所有者重复加锁将导致死锁
// pthread_mutex_unlock：对未加锁的互斥量解锁或解锁由其他线程锁定的互斥量都是错误行为
// pthread_mutex_trylock：如果互斥量已经锁定，会失败并返回EBUSY错误
// pthread_mutex_timedlock：如果互斥量已经锁定，并且时间期限已满，则失败并返回ETIMEDOUT错误

类型

PTHREAD_MUTEX_NORMAL：该类型的互斥量不具有死锁检测功能
PTHREAD_MUTEX_RERORCHECK：该类型的互斥量都会执行错误检查
PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE：递归互斥量维护着一个锁计数器

死锁
如果试图对一个互斥量加锁两次，其自身会陷入死锁状态；或者程序中有一个以上的互斥量，两个线程互相请求对方所拥有的资源时，也会死锁。可以通过仔细控制互斥量加锁的顺序来避免死锁，如所有线程总是在对互斥量B加锁前先锁住互斥量A，但是对互斥量的排序有时候比较困难，可以使用pthread_mutex_trylock避免死锁，如果不能获取锁，先释放已经占有的资源，做好清理工作，过一段时间再试

条件变量
条件变量总是和互斥量结合使用，它允许一个线程就某个共享变量的状态变化通知其他线程，并让其他等待这个通知，使用前必须对它进行初始化，可以用PTHREAD_COND_INITIALIZER或pthread_cond_init进行初始化
```
int pthread_cond_init(pthread_cond_t * __restrict cond, const pthread_condattr_t * _Nullable __restrict attr);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);        
// 两个函数返回值：若成功，返回0，若出错，返回错误编号
```
阻塞（等待唤醒）：
```
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t * __restrict cond, pthread_mutex_t * __restrict mutex);
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t * __restrict cond, pthread_mutex_t * __restrict mutex, const struct timespec * _Nullable __restrict tsptr);
// 两个函数返回值：若成功，返回0，若出错，返回错误编号
```
唤醒：
```
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);      // 至少唤醒一个等待该条件的线程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond); // 唤醒所有等待该条件的线程
// 两个函数返回值：若成功，返回0，若出错，返回错误编号
```
一个通用的设计原则：必须由一个while循环而不是if语句，控制对pthread_cond_wait的调用，这是因为当代码返回时，并不能确定判断条件的状态，所以应该立即重新检查判断条件，在条件不满足的情况下继续休眠等待，之所以不能判断条件的状态，因为：
其他线程可能率先醒来，并获取互斥量并改变相关共享变量的状态
设计”宽松“的判断条件或许更为简单
可能发生假唤醒，即使没有其他线程真的就条件变量发出信号，等待此条件变量的线程仍有可能醒来
自旋锁
与互斥量类似，但是不通过休眠使进程阻塞，而是在获取锁之前一直处于忙等阻塞状态，可用于以下情况：持有时间短而且线程并不希望在重新调度上花太多成本。使用前必须对它进行初始化，可以用PTHREAD_SPINLOCK_INITIALIZER或pthread_spin_init进行初始化
```
int pthread_spin_init (pthread_spinlock_t *lock, int pshared);
int pthread_spin_destroy (pthread_spinlock_t *lock);
// 两个函数返回值：若成功，返回0，若出错，返回错误编号
```
pshared表示进程共享属性：如果设置为PTHREAD_PROCESS_SHARED，则自旋锁能被可以访问锁底层内存的线程获取，即使那些线程属于不同的进程；如果设置为PTHREAD_PROCESS_PRIVATE，只能被进程内部的线程访问
```
int pthread_spin_trylock (pthread_spinlock_t *lock);
int pthread_spin_unlock (pthread_spinlock_t *lock);
int pthread_spin_lock (pthread_spinlock_t *lock);
// 两个函数返回值：若成功，返回0，若出错，返回错误编号
```
不用调用在持有自旋锁情况下可能进入休眠状态的函数，会浪费CPU资源，因为其他线程需要获取自旋锁需要等待的时间延长了
屏障
或栅栏，是用户协调多个线程并行工作的同步机制，允许每个线程等待，直到所有线程都达到某一点，然后继续执行，pthread_join就是屏障的一种
```
int pthread_barrier_init(pthread_barrier_t *restrict barrier, const pthread_barrierattr_t *restrict attr, unsigned count);
int pthread_barrier_destroy(pthread_barrier_t *barrier);
// 两个函数返回值：若成功，返回0，若出错，返回错误编号
int pthread_barrier_wait(pthread_barrier_t *barrier);
// 若成功，返回0或PTHREAD_BARRIER_SERIAL_THREAD，若出错，返回错误编号
```
调用pthread_barrier_wait的线程在屏障计数未满足条件，进入休眠状态，否则，所有线程都被唤醒

30-线程同步

第30章 线程同步

互斥量

类型

死锁

条件变量

自旋锁

屏障

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