多线程5——线程同步 多线程同步的方法有几种
liebian365 2024-10-20 10:00 27 浏览 0 评论
线程同步(同,协同、协助、互相配合的意思),可以理解为线程A和B一块配合,A执行到一定程度时要依靠B的结果,于是A停下来,B执行;B执行后将结果告知A,A再继续执行。
在并发情况下,指令执行的先后顺序由内核决定。同一个线程内部,指令按照先后顺序执行,但不同线程之间的指令很难说清楚是哪一个先执行。如果运行的结果依赖于多线程执行的顺序,那么就会形成竞争条件,每次运行的结果可能会不同,所以应该尽量避免竞争条件的形成。
线程同步的常见方法:互斥锁,读写锁,条件变量,信号量。
(1)不加锁
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
// 剩余票数100张
int tickets = 100;
void *selltickets(void *arg)
{
while (tickets > 0)
{
// printf("%ld 正在卖第%d张门票\n", pthread_self(), tickets);
tickets--;
}
pthread_exit(NULL);
}
int main(int argc, char **argv)
{
// 启动3个窗口(线程),同时售票
// 观察多线程并发操作临界资源时,
// 会不会出现余票为负数的情况?
pthread_t t1, t2, t3;
pthread_create(&t1, NULL, selltickets, NULL);
pthread_create(&t2, NULL, selltickets, NULL);
pthread_create(&t3, NULL, selltickets, NULL);
// 阻塞主线程,等待子线程结束
pthread_join(t1, NULL);
pthread_join(t2, NULL);
pthread_join(t3, NULL);
printf("余票: %d\n", tickets);
// 退出主线程
pthread_exit(NULL);
return 0;
}
编译并运行程序
baohua@node1:~$ gcc threadsync.c -lpthread -o main
baohua@node1:~$ ./main
余票: -2
注意:程序运行结果不唯一!!!
结论:观察到多线程并发操作全局变量(临界资源)时,出现多卖的问题。
(2)互斥锁
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
// 声明一个互斥锁
pthread_mutex_t mutex;
// 剩余票数100张
int tickets = 100;
void *selltickets(void *arg)
{
while (1)
{
// 加锁
pthread_mutex_lock(&mutex);
if (tickets > 0)
{
printf("线程id:%ld 正在卖第%d张门票\n", pthread_self(), tickets);
tickets--;
} else {
// 这里要先解锁,再跳出循环!!!
pthread_mutex_unlock(&mutex);
break;
}
// 解锁
pthread_mutex_unlock(&mutex);
// 让线程竞争临界资源,表现的更明显一点
sleep(1);
}
pthread_exit(NULL);
}
int main(int argc, char **argv)
{
// 初始化互斥锁
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
// 启动3个窗口(线程),同时售票
// 观察多线程并发操作临界资源时,
// 会不会出现余票为负数的情况?
pthread_t t1, t2, t3;
pthread_create(&t1, NULL, selltickets, NULL);
pthread_create(&t2, NULL, selltickets, NULL);
pthread_create(&t3, NULL, selltickets, NULL);
// 阻塞主线程,等待子线程结束
pthread_join(t1, NULL);
pthread_join(t2, NULL);
pthread_join(t3, NULL);
printf("余票: %d\n", tickets);
// 注销互斥锁
pthread_mutex_destroy(&mutex);
// 退出主线程
pthread_exit(NULL);
return 0;
}
编译并运行程序
baohua@node1:~$ gcc threadsync.c -lpthread -o main
baohua@node1:~$ ./main
线程id:140218611173120 正在卖第100张门票
线程id:140218602780416 正在卖第99张门票
线程id:140218594387712 正在卖第98张门票
......出于篇幅考虑,中间省略若干行........
线程id:140218594387712 正在卖第3张门票
线程id:140218602780416 正在卖第2张门票
线程id:140218611173120 正在卖第1张门票
余票: 0
(3)读写锁
线程对共享资源的访问分为两类:读操作和写操作。
多线程并发下,写操作不安全,但读操作是安全的。因此,在读多写少的场景下,出于提高性能的目的,应允许多个线程同一时刻读取同一数据,但是互斥锁不满足这种情况,由此引申出了另一种锁机制——读写锁。
读写锁特点:
- 有线程在读取数据时,允许其他线程执行读操作,但不允许执行写操作
- 有线程在写数据时,不允许其他线程执行写操作和读操作
- 写操作是独占的,优先级高
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
int num = 1; //定义全局变量
pthread_rwlock_t rwlock; //创建读写锁
void *writenum(void *arg)
{
while (1)
{
//加写锁
pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
num++;
printf("num++ ,tid: %ld,num:%d\n", pthread_self(), num);
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
sleep(1);
}
pthread_exit(NULL);
}
void *readnum(void *arg)
{
while (1)
{
//加读锁
pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
printf("==read ,tid: %ld,num:%d\n", pthread_self(), num);
sleep(1);
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
usleep(10);
}
pthread_exit(NULL);
}
int main(int argc, char **argv)
{
//初始化读写锁
pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);
//存放3个写线程号
pthread_t wtids[3];
//存放5个读线程号
pthread_t rtids[5];
for (int i = 0; i < 3; i++)
{
//创建写的线程
pthread_create(&wtids[i], NULL, writenum, NULL);
}
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
//创建读的线程
pthread_create(&rtids[i], NULL, readnum, NULL);
}
for (int i = 0; i < 3; i++)
{
pthread_join(wtids[i], NULL);
}
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
pthread_join(rtids[i], NULL);
}
//释放读写锁
pthread_rwlock_destroy(&rwlock);
pthread_exit(NULL);
return 0;
}
(4)条件变量
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
int i = 0;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t condvar = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
void *threadfunc(void *pvoid)
{
while (1)
{
pthread_mutex_lock(&mutex);
if (i < 200)
{
i++;
pthread_cond_signal(&condvar); /**< 子线程唤醒主线程 */
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
else
{
pthread_mutex_unlock(&mutex);
break;
}
}
return NULL;
}
int main(int argc, char **argv)
{
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, NULL, &threadfunc, NULL);
pthread_mutex_lock(&mutex);
while (i < 100)
{
pthread_cond_wait(&condvar, &mutex);
}
printf("i = %d\n", i);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
pthread_join(tid, NULL);
pthread_mutex_destroy(&mutex);
pthread_cond_destroy(&condvar);
return 0;
}
子线程每次唤醒条件变量并释放互斥锁之后,将与主线程一同竞争互斥锁。也就是说,等待条件变量的线程在被唤醒时,并不自动获得互斥锁。
(5)信号量
信号量本质上是一个非负的整数计数器,它被用来控制对公共资源的访问。
根据信号量的值来判断是否对公共资源具有访问权限,当信号量的值大于0时,可以访问,否则将阻塞。
信号量带有两个原子操作 P 和 V,一次 P 操作使信号量减1,一次 V 操作使信号量加 1。
#include <semaphore.h>
// 初始化信号量
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
-sem:信号变量的地址
-pshared:0-用在线程 非0-用在进程
-value:信号量中的值
// 信号量 P 操作(减 1)
int sem_wait(sem_t *sem);
// 以非阻塞的方式来对信号量进行减 1 操作
int sem_trywait(sem_t *sem);
// 信号量 V 操作(加 1)
int sem_post(sem_t *sem);
// 获取信号量的值
int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);
// 销毁信号量
int sem_destroy(sem_t *sem);
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
// 定义两个信号量
sem_t sem_g, sem_p;
char ch = 'a';
// 此线程改变字符ch的值
void *pthread_g(void *arg)
{
while (1)
{
sem_wait(&sem_g);
ch++;
sem_post(&sem_p);
if (ch > 'z')
{
break;
}
}
pthread_exit(NULL);
}
// 此线程打印ch的值
void *pthread_p(void *arg)
{
while (1)
{
sem_wait(&sem_p);
if (ch > 'z')
{
break;
}
printf("%c", ch);
fflush(stdout);
sem_post(&sem_g);
}
pthread_exit(NULL);
}
/**
* 输出26个小写字母
*/
int main(int argc, char *argv[])
{
pthread_t tid1, tid2;
// 初始化信号量为0
sem_init(&sem_g, 0, 0);
// 初始化信号量为1
sem_init(&sem_p, 0, 1);
pthread_create(&tid1, NULL, pthread_g, NULL);
pthread_create(&tid2, NULL, pthread_p, NULL);
pthread_join(tid1, NULL);
pthread_join(tid2, NULL);
sem_destroy(&sem_g);
sem_destroy(&sem_p);
pthread_exit(NULL);
return 0;
}
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