Linux C編程之十五線程同步

時間 2020-05-15

標籤 linux 編程十五線程同步欄目 Linux 简体版

原文原文鏈接

1、總體大綱linux

2、線程同步數據庫

1. 同步概念編程

所謂同步，即同時起步，協調一致。不一樣的對象，對「同步」的理解方式略有不一樣。如，設備同步，是指在兩個設備之間規定一個共同的時間參考；數據庫同步，是指讓兩個或多個數據庫內容保持一數據結構

致，或者按須要部分保持一致；文件同步，是指讓兩個或多個文件夾裏的文件保持一致等等。多線程

而編程中、通訊中所說的同步與生活中你們印象中的同步概念略有差別。「同」字應是指協同、協助、互相配合。主旨在協同步調，按預約的前後次序運行。併發

2. 線程同步ide

（1）線程同步概念函數

同步即協同步調，按預約的前後次序運行。post

線程同步，指一個線程發出某一功能調用時，在沒有獲得結果以前，該調用不返回。同時其它線程爲保證數據一致性，不能調用該功能。測試

舉例1：銀行存款 5000。櫃檯，折：取3000；提款機，卡：取 3000。剩餘：2000

舉例2：內存中100字節，線程T1欲填入全1，線程T2欲填入全0。但若是T1執行了50個字節失去cpu，T2執行，會將T1寫過的內容覆蓋。當T1再次得到cpu繼續從失去cpu的位置向後寫入1，當執

行結束，內存中的100字節，既不是全1，也不是全0。

產生的現象叫作「與時間有關的錯誤」(time related)。爲了不這種數據混亂，線程須要同步。

「同步」的目的，是爲了不數據混亂，解決與時間有關的錯誤。實際上，不只線程間須要同步，進程間、信號間等等都須要同步機制。

所以，全部「多個控制流，共同操做一個共享資源」的狀況，都須要同步。

（2）數據混亂緣由

1）資源共享（獨享資源則不會）

2）調度隨機（意味着數據訪問會出現競爭）

3）線程間缺少必要的同步機制。

以上3點中，前兩點不能改變，欲提升效率，傳遞數據，資源必須共享。只要共享資源，就必定會出現競爭。只要存在競爭關係，數據就很容易出現混亂。

因此只能從第三點着手解決。使多個線程在訪問共享資源的時候，出現互斥。

3. 實現線程同步

（1）互斥量mutex

Linux中提供一把互斥鎖mutex（也稱之爲互斥量）。

每一個線程在對資源操做前都嘗試先加鎖，成功加鎖才能操做，操做結束解鎖。

資源仍是共享的，線程間也仍是競爭的，

但經過「鎖」就將資源的訪問變成互斥操做，然後與時間有關的錯誤也不會再產生了。

但應注意：同一時刻，只能有一個線程持有該鎖。

當A線程對某個全局變量加鎖訪問，B在訪問前嘗試加鎖，拿不到鎖，B阻塞。C線程不去加鎖，而直接訪問該全局變量，依然可以訪問，但會出現數據混亂。

因此，互斥鎖實質上是操做系統提供的一把「建議鎖」（又稱「協同鎖」），建議程序中有多線程訪問共享資源的時候使用該機制。但，並無強制限定。

所以，即便有了mutex，若是有線程不按規則來訪問數據，依然會形成數據混亂。

1）主要函數

pthread_mutex_init函數 pthread_mutex_destroy函數 pthread_mutex_lock函數 pthread_mutex_trylock函數 pthread_mutex_unlock函數 以上5個函數的返回值都是：成功返回0， 失敗返回錯誤號。 pthread_mutex_t 類型，其本質是一個結構體。爲簡化理解，應用時可忽略其實現細節，簡單當成整數看待。 pthread_mutex_t mutex; 變量mutex只有兩種取值一、0。

pthread_mutex_init函數

初始化一個互斥鎖(互斥量) ---> 初值可看做1

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

參1：傳出參數，調用時應傳 &mutex

restrict關鍵字：只用於限制指針，告訴編譯器，全部修改該指針指向內存中內容的操做，只能經過本指針完成。不能經過除本指針之外的其餘變量或指針修改。

參2：互斥量屬性。是一個傳入參數，一般傳NULL，選用默認屬性(線程間共享)。參APUE.12.4同步屬性

靜態初始化：若是互斥鎖 mutex 是靜態分配的（定義在全局，或加了static關鍵字修飾），能夠直接使用宏進行初始化。e.g. pthead_mutex_t muetx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

動態初始化：局部變量應採用動態初始化。e.g. pthread_mutex_init(&mutex, NULL)

pthread_mutex_destroy函數

銷燬一個互斥鎖

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_lock函數

加鎖。可理解爲將 mutex--（或-1）

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_unlock函數

解鎖。可理解爲將mutex ++（或+1）

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_trylock函數

嘗試加鎖

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

2）加鎖與解鎖

lock與unlock：

lock嘗試加鎖，若是加鎖不成功，線程阻塞，阻塞到持有該互斥量的其餘線程解鎖爲止。

unlock主動解鎖函數，同時將阻塞在該鎖上的全部線程所有喚醒，至於哪一個線程先被喚醒，取決於優先級、調度。默認：先阻塞、先喚醒。

例如：T1 T2 T3 T4 使用一把mutex鎖。T1加鎖成功，其餘線程均阻塞，直至T1解鎖。T1解鎖後，T2 T3 T4均被喚醒，並自動再次嘗試加鎖。

可假想mutex鎖 init成功初值爲1。 lock 功能是將mutex--。 unlock將mutex++

lock與trylock：

lock加鎖失敗會阻塞，等待鎖釋放。

trylock加鎖失敗直接返回錯誤號（如：EBUSY），不阻塞。

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <unistd.h>
 3 #include <pthread.h>
 4 #include <string.h>
 5 
 6 pthread_mutex_t mutex;  7 
 8 void *thr(void *arg)  9 { 10     while(1) 11  { 12         pthread_mutex_lock(&mutex); 13         printf("hello world\n"); 14         sleep(30); 15         pthread_mutex_unlock(&mutex); 16  } 17 
18     return NULL; 19 } 20 
21 int main() 22 { 23     pthread_mutex_init(&mutex, NULL); 24  pthread_t tid; 25     pthread_create(&tid, NULL, thr, NULL); 26 
27     sleep(1); 28 
29     while (1) 30  { 31         int ret = pthread_mutex_trylock(&mutex); 32         if (ret > 0) 33  { 34             printf("ret = %d, errmsg = %s\n", ret, strerror(ret)); 35  } 36         sleep(1); 37  } 38 
39     return 0; 40 }

trylock示例

3）加鎖步驟測試

看以下程序：該程序是很是典型的，因爲共享、競爭而沒有加任何同步機制，致使產生於時間有關的錯誤，形成數據混亂：

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <unistd.h>
 3 #include <pthread.h>
 4 #include <stdlib.h>
 5 
 6 void *thr1(void *arg)  7 {  8     while(1)  9  { 10         printf("hello"); 11         sleep(rand()%3); 12         printf("world\n"); 13         sleep(rand()%3); 14  } 15 } 16 
17 void *thr2(void *arg) 18 { 19     while(1) 20  { 21         printf("HELLO"); 22         sleep(rand()%3); 23         printf("WORLD\n"); 24         sleep(rand()%3); 25  } 26 } 27 
28 int main() 29 { 30     pthread_t thr[2]; 31     pthread_create(&thr[0], NULL, thr1, NULL); 32     pthread_create(&thr[1], NULL, thr2, NULL); 33 
34     pthread_join(thr[0], NULL); 35     pthread_join(thr[1], NULL); 36 
37     return 0; 38 }

多線程數據打印混亂

練習：修改該程序，使用mutex互斥鎖進行同步。

定義全局互斥量，初始化init(&m, NULL)互斥量，添加對應的destry

兩個線程while中，兩次printf先後，分別加lock和unlock

將unlock挪至第二個sleep後，發現交替現象很難出現。

線程在操做完共享資源後本應該當即解鎖，但修改後，線程抱着鎖睡眠。睡醒解鎖後又當即加鎖，這兩個庫函數自己不會阻塞。

因此在這兩行代碼之間失去cpu的機率很小。所以，另一個線程很可貴到加鎖的機會。

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <unistd.h>
 3 #include <pthread.h>
 4 #include <stdlib.h>
 5 
 6 pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;  7 
 8 void *thr1(void *arg)  9 { 10     while(1) 11  { 12         //先上鎖
13         pthread_mutex_lock(&mutex); //加鎖當有線程已經枷鎖的時候，阻塞
14         printf("hello"); 15         sleep(rand()%3); 16         printf("world\n"); 17         //sleep(rand()%3); 18         //解鎖
19         pthread_mutex_unlock(&mutex); 20         sleep(rand()%3); 21  } 22 } 23 
24 void *thr2(void *arg) 25 { 26     while(1) 27  { 28         //上鎖
29         pthread_mutex_lock(&mutex); 30         printf("HELLO"); 31         sleep(rand()%3); 32         printf("WORLD\n"); 33         //sleep(rand()%3); 34         //解鎖
35         pthread_mutex_unlock(&mutex); 36         sleep(rand()%3); 37  } 38 } 39 
40 int main() 41 { 42     pthread_t thr[2]; 43     pthread_create(&thr[0], NULL, thr1, NULL); 44     pthread_create(&thr[1], NULL, thr2, NULL); 45 
46     pthread_join(thr[0], NULL); 47     pthread_join(thr[1], NULL); 48 
49     return 0; 50 }

bug修復版（加互斥鎖）

結論：

在訪問共享資源前加鎖，訪問結束後當即解鎖。鎖的「粒度」應越小越好。

4）死鎖

線程試圖對同一個互斥量A加鎖兩次。
線程1擁有A鎖，請求得到B鎖；線程2擁有B鎖，請求得到A鎖

練習：編寫程序，實現上述兩種死鎖現象。

（2）讀寫鎖

1）概念

與互斥量相似，但讀寫鎖容許更高的並行性。其特性爲：寫獨佔，讀共享。

2）讀寫鎖狀態

一把讀寫鎖具有三種狀態：

a. 讀模式下加鎖狀態 (讀鎖)

b. 寫模式下加鎖狀態 (寫鎖)

c. 不加鎖狀態

3）讀寫鎖特性

讀寫鎖是「寫模式加鎖」時，解鎖前，全部對該鎖加鎖的線程都會被阻塞。
讀寫鎖是「讀模式加鎖」時，若是線程以讀模式對其加鎖會成功；若是線程以寫模式加鎖會阻塞。
讀寫鎖是「讀模式加鎖」時，既有試圖以寫模式加鎖的線程，也有試圖以讀模式加鎖的線程。那麼讀寫鎖會阻塞隨後的讀模式鎖請求。優先知足寫模式鎖。讀鎖、寫鎖並行阻塞，寫鎖優先級高。

讀寫鎖也叫共享-獨佔鎖。當讀寫鎖以讀模式鎖住時，它是以共享模式鎖住的；當它以寫模式鎖住時，它是以獨佔模式鎖住的。寫獨佔、讀共享。

讀寫鎖很是適合於對數據結構讀的次數遠大於寫的狀況。

3）主要函數

pthread_rwlock_init函數 pthread_rwlock_destroy函數 pthread_rwlock_rdlock函數 pthread_rwlock_wrlock函數 pthread_rwlock_tryrdlock函數 pthread_rwlock_trywrlock函數 pthread_rwlock_unlock函數 以上7 個函數的返回值都是：成功返回0， 失敗直接返回錯誤號。 pthread_rwlock_t類型 用於定義一個讀寫鎖變量。 pthread_rwlock_t rwlock;

pthread_rwlock_init函數

初始化一把讀寫鎖

int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);

參2：attr表讀寫鎖屬性，一般使用默認屬性，傳NULL便可。

pthread_rwlock_destroy函數

銷燬一把讀寫鎖

int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

pthread_rwlock_rdlock函數

以讀方式請求讀寫鎖。（常簡稱爲：請求讀鎖）

int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

pthread_rwlock_wrlock函數

以寫方式請求讀寫鎖。（常簡稱爲：請求寫鎖）

int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

pthread_rwlock_unlock函數

解鎖

int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

pthread_rwlock_tryrdlock函數

非阻塞以讀方式請求讀寫鎖（非阻塞請求讀鎖）

int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

pthread_rwlock_trywrlock函數

非阻塞以寫方式請求讀寫鎖（非阻塞請求寫鎖）

int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

4）讀寫鎖示例

看以下示例，同時有多個線程對同一全局數據讀、寫操做。

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <unistd.h>
 3 #include <pthread.h>
 4 
 5 int begin_num = 1000;  6 pthread_rwlock_t rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;  7 
 8 void *thr_write(void *arg)  9 { 10     while(1) 11  { 12         pthread_rwlock_wrlock(&rwlock); 13         printf("funcname = %s, self = %lu, begin_num = %d\n", __FUNCTION__, pthread_self(), begin_num++); 14         usleep(2000); //模擬佔用時間
15         pthread_rwlock_unlock(&rwlock); 16         usleep(3000); //防止釋放鎖以後又去搶
17  } 18 } 19 
20 void *thr_read(void *arg) 21 { 22     while(1) 23  { 24         pthread_rwlock_wrlock(&rwlock); 25         printf("funcname = %s, self = %lu, begin_num = %d\n", __FUNCTION__, pthread_self(), begin_num); 26         usleep(2000); //模擬佔用時間
27         pthread_rwlock_unlock(&rwlock); 28         usleep(2000); //防止釋放鎖以後又去搶
29  } 30 } 31 int main() 32 { 33     int n = 8, i = 0; 34     pthread_t tid[8]; //5-read, 3-write
35     for (i = 0; i < 5; i++) 36  { 37         pthread_create(&tid[i], NULL, thr_read, NULL); 38  } 39 
40     for (; i < n; i++) 41  { 42         pthread_create(&tid[i], NULL, thr_write, NULL); 43  } 44 
45     for (i = 0; i < n; i++) 46  { 47  pthread_join(tid[i], NULL); 48  } 49 
50     return 0; 51 }

讀寫鎖示例

讀寫鎖場景練習：

a. 線程A加寫鎖成功，線程B請求讀鎖
線程B阻塞

b. 線程A持有讀鎖，線程B請求寫鎖
線程B阻塞

c. 線程A持有讀鎖，線程B請求讀鎖
B加鎖成功

d. 線程A持有讀鎖，而後線程B請求寫鎖，而後線程C請求讀鎖
BC阻塞
A釋放後，B加鎖
B釋放後，C加鎖

e. 線程A持有寫鎖，而後線程B請求讀鎖，而後線程C請求寫鎖
BC阻塞
A釋放，C加鎖
C釋放，B加鎖

（3）條件變量

1）概念

條件變量自己不是鎖！但它也能夠形成線程阻塞。一般與互斥鎖配合使用。給多線程提供一個會合的場所。

2）主要應用函數

pthread_cond_init函數 pthread_cond_destroy函數 pthread_cond_wait函數 pthread_cond_timedwait函數 pthread_cond_signal函數 pthread_cond_broadcast函數 以上6 個函數的返回值都是：成功返回0， 失敗直接返回錯誤號。 pthread_cond_t類型 用於定義條件變量 pthread_cond_t cond;

pthread_cond_init函數

初始化一個條件變量

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);

參2：attr表條件變量屬性，一般爲默認值，傳NULL便可

也可使用靜態初始化的方法，初始化條件變量：

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

pthread_cond_destroy函數

銷燬一個條件變量

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

pthread_cond_wait函數

阻塞等待一個條件變量

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);

函數做用：

a. 阻塞等待條件變量cond（參1）知足

b. 釋放已掌握的互斥鎖（解鎖互斥量）至關於pthread_mutex_unlock(&mutex);
a.b.兩步爲一個原子操做。

c. 當被喚醒，pthread_cond_wait函數返回時，解除阻塞並從新申請獲取互斥鎖pthread_mutex_lock(&mutex);

pthread_cond_timedwait函數

限時等待一個條件變量

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime);

參3：參看man sem_timedwait函數，查看struct timespec結構體。

struct timespec { time_t tv_sec; /* seconds */ 秒 long   tv_nsec; /* nanosecondes*/ 納秒 }

形參abstime：絕對時間。

如：time(NULL)返回的就是絕對時間。而alarm(1)是相對時間，相對當前時間定時1秒鐘。

struct timespec t = {1, 0};

pthread_cond_timedwait (&cond, &mutex, &t); 只能定時到 1970年1月1日 00:00:01秒(早已通過去)

正確用法：

time_t cur = time(NULL); 獲取當前時間。 struct timespec t; 定義timespec 結構體變量t t.tv_sec = cur+1; 定時1秒 pthread_cond_timedwait (&cond, &mutex, &t); 傳參 參APUE.11.6線程同步條件變量小節 在講解setitimer函數時咱們還提到另一種時間類型： struct timeval { time_t tv_sec; /* seconds */ 秒 suseconds_t tv_usec; /* microseconds */ 微秒 };

pthread_cond_signal函數

喚醒至少一個阻塞在條件變量上的線程

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

pthread_cond_broadcast函數

喚醒所有阻塞在條件變量上的線程

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

3）生產者消費者條件變量模型

線程同步典型的案例即爲生產者消費者模型，而藉助條件變量來實現這一模型，是比較常見的一種方法。假定有兩個線程，一個模擬生產者行爲，一個模擬消費者行爲。兩個線程同時操做一個共

享資源（通常稱之爲匯聚），生產向其中添加產品，消費者從中消費掉產品。

看以下示例，使用條件變量模擬生產者、消費者問題：

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <unistd.h>
 3 #include <pthread.h>
 4 #include <stdlib.h>
 5 
 6 int begin_num = 1000;  7 
 8 pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;  9 pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER; 10 
11 typedef struct _ProdInfo{ 12     int num; 13     struct _ProdInfo *next; 14 }ProdInfo; 15 
16 ProdInfo *Head = NULL; 17 
18 void *thr_producter(void *arg) 19 { 20     //負責在鏈表添加數據
21     while(1) 22  { 23         ProdInfo *prod = malloc(sizeof(ProdInfo)); 24         prod->num = begin_num++; 25         printf("funcname = %s, self = %lu, data = %d\n", __FUNCTION__, pthread_self(), prod->num); 26 
27         pthread_mutex_lock(&mutex); 28         //add to list
29         prod->next = Head; 30         Head = prod; 31         pthread_mutex_unlock(&mutex); 32 
33         //發起通知
34         pthread_cond_signal(&cond); 35         sleep(rand()%3); 36  } 37 
38     return NULL; 39 } 40 
41 void *thr_consumer(void *arg) 42 { 43     ProdInfo *prod = NULL; 44 
45     while(1) 46  { 47         //取鏈表的數據
48         pthread_mutex_lock(&mutex); 49         //if (Head == NULL)
50         while (Head == NULL) 51  { 52             pthread_cond_wait(&cond, &mutex); //在此以前必須先加鎖
53  } 54         prod = Head; 55         Head = Head->next; 56         printf("funcname = %s, self = %lu, data = %d\n", __FUNCTION__, pthread_self(), prod->num); 57         pthread_mutex_unlock(&mutex); 58         sleep(rand()%3); 59         free(prod); 60  } 61 
62     return NULL; 63 } 64 
65 int main() 66 { 67     pthread_t tid[3]; 68     pthread_create(&tid[0], NULL, thr_producter, NULL); 69     pthread_create(&tid[1], NULL, thr_consumer, NULL); 70     pthread_create(&tid[2], NULL, thr_consumer, NULL); 71 
72     pthread_join(tid[0], NULL); 73     pthread_join(tid[1], NULL); 74     pthread_join(tid[2], NULL); 75 
76     pthread_mutex_destroy(&mutex); 77     pthread_cond_destroy(&cond); 78 
79     return 0; 80 }

條件變量實現生產者消費者模型

4）條件變量的優勢

相較於mutex而言，條件變量能夠減小競爭。

如直接使用mutex，除了生產者、消費者之間要競爭互斥量之外，消費者之間也須要競爭互斥量，但若是匯聚（鏈表）中沒有數據，消費者之間競爭互斥鎖是無心義的。有了條件變量機制之後，只有

生產者完成生產，纔會引發消費者之間的競爭。提升了程序效率。

（4）信號量

1）概念

進化版的互斥鎖（1 --> N）

因爲互斥鎖的粒度比較大，若是咱們但願在多個線程間對某一對象的部分數據進行共享，使用互斥鎖是沒有辦法實現的，只能將整個數據對象鎖住。這樣雖然達到了多線程操做共享數據時保證數

據正確性的目的，卻無形中致使線程的併發性降低。線程從並行執行，變成了串行執行。與直接使用單進程無異。

信號量，是相對摺中的一種處理方式，既能保證同步，數據不混亂，又能提升線程併發。

2）主要應用函數

sem_init函數 sem_destroy函數 sem_wait函數 sem_trywait函數 sem_timedwait函數 sem_post函數 以上6 個函數的返回值都是：成功返回0， 失敗返回-1，同時設置errno。(注意，它們沒有pthread前綴) sem_t類型，本質還是結構體。但應用期間可簡單看做爲整數，忽略實現細節（相似於使用文件描述符）。 sem_t sem; 規定信號量sem不能 < 0。頭文件 <semaphore.h>

信號量基本操做：

sem_wait:

a. 信號量大於0，則信號量-- （類比pthread_mutex_lock）

b. 信號量等於0，形成線程阻塞

對應 ->

sem_post：將信號量++，同時喚醒阻塞在信號量上的線程（類比pthread_mutex_unlock）

但因爲sem_t的實現對用戶隱藏，因此所謂的++、--操做只能經過函數來實現，而不能直接++、--符號。

信號量的初值，決定了佔用信號量的線程的個數。

sem_init函數

初始化一個信號量

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

參1：sem信號量

參2：pshared取0用於線程間；取非0（通常爲1）用於進程間

參3：value指定信號量初值

sem_destroy函數

銷燬一個信號量

int sem_destroy(sem_t *sem);

sem_wait函數

給信號量加鎖 --

int sem_wait(sem_t *sem);

sem_post函數

給信號量解鎖 ++

int sem_post(sem_t *sem);

sem_trywait函數

嘗試對信號量加鎖 -- (與sem_wait的區別類比lock和trylock)

int sem_trywait(sem_t *sem);

sem_timedwait函數

限時嘗試對信號量加鎖 --

int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);

參2：abs_timeout採用的是絕對時間。

定時1秒： time_t cur = time(NULL); 獲取當前時間。 struct timespec t; 定義timespec 結構體變量t t.tv_sec = cur+1; 定時1秒 t.tv_nsec = t.tv_sec +100; sem_timedwait(&sem, &t); 傳參

3）生產者消費者信號量模型

使用信號量完成線程間同步，模擬生產者，消費者問題。

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <unistd.h>
 3 #include <pthread.h>
 4 #include <semaphore.h>
 5 #include <stdlib.h>
 6 
 7 //blank -- 生產者  8 //xfull -- 消費者
 9 sem_t blank, xfull; 10 #define _SEM_CNT_ 5
11 
12 int queue[_SEM_CNT_]; //存放生產者數據
13 int begin_num = 100; 14 
15 void *thr_producter(void *arg) 16 { 17     int i = 0; 18     while(1) 19  { 20         sem_wait(&blank); //申請資源 blank--
21         printf("funcname = %s, self = %lu, num = %d\n", __FUNCTION__, pthread_self(), begin_num); 22         queue[(i++)%_SEM_CNT_] = begin_num++; 23         sem_post(&xfull); //xfull++
24         sleep(rand()%3); 25  } 26 
27     return NULL; 28 } 29 void *thr_consumer(void *arg) 30 { 31     int i = 0; 32     int num = 0; 33     while(1) 34  { 35         sem_wait(&xfull); 36         num = queue[(i++)%_SEM_CNT_]; 37         printf("funcname = %s, self = %lu, num = %d\n", __FUNCTION__, pthread_self(), num); 38         sem_post(&blank); 39         sleep(rand()%3); 40  } 41 
42     return NULL; 43 } 44 
45 int main() 46 { 47     sem_init(&blank, 0, _SEM_CNT_); 48     sem_init(&xfull, 0, 0); //消費者一開始初始化，默認沒有產品
49 
50     pthread_t tid[2]; 51     pthread_create(&tid[0], NULL, thr_producter, NULL); 52     pthread_create(&tid[1], NULL, thr_consumer, NULL); 53 
54     pthread_join(tid[0], NULL); 55     pthread_join(tid[1], NULL); 56 
57     sem_destroy(&blank); 58     sem_destroy(&xfull); 59 
60     return 0; 61 }

信號量實現生產者消費者模型

（5）進程間同步

互斥量mutex

進程間也可使用互斥鎖，來達到同步的目的。但應在pthread_mutex_init初始化以前，修改其屬性爲進程間共享。mutex的屬性修改函數主要有如下幾個。

主要應用函數：

pthread_mutexattr_t mattr 類型： 用於定義mutex鎖的【屬性】 pthread_mutexattr_init函數： 初始化一個mutex屬性對象 int pthread_mutexattr_init(pthread_mutexattr_t *attr); pthread_mutexattr_destroy函數： 銷燬mutex屬性對象 (而非銷燬鎖) int pthread_mutexattr_destroy(pthread_mutexattr_t *attr); pthread_mutexattr_setpshared函數： 修改mutex屬性。 int pthread_mutexattr_setpshared(pthread_mutexattr_t *attr, int pshared); 參2：pshared取值： 線程鎖：PTHREAD_PROCESS_PRIVATE (mutex的默認屬性即爲線程鎖，進程間私有) 進程鎖：PTHREAD_PROCESS_SHARED

進程間mutex示例：

 1 #include <fcntl.h>
 2 #include <pthread.h>
 3 #include <sys/mman.h>
 4 #include <sys/wait.h>
 5 
 6 struct mt{  7     int num;  8     pthread_mutex_t mutex;  9     pthread_mutexattr_t mutexattr; 10 }; 11 
12 int main(void) 13 { 14     int fd, i; 15     struct mt *mm; 16     pid_t pid; 17 
18     fd = open("mt_test", O_CREAT | O_RDWR, 0777); 19     ftruncate(fd, sizeof(*mm)); 20     mm = mmap(NULL, sizeof(*mm), PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); 21     close(fd); 22     unlink("mt_test"); 23     //mm = mmap(NULL, sizeof(*mm), PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANON, -1, 0);
24     memset(mm, 0, sizeof(*mm)); 25     pthread_mutexattr_init(&mm->mutexattr);                                  //初始化mutex屬性對象
26     pthread_mutexattr_setpshared(&mm->mutexattr, PTHREAD_PROCESS_SHARED);    //修改屬性爲進程間共享
27     pthread_mutex_init(&mm->mutex, &mm->mutexattr);                          //初始化一把mutex瑣
28     pid = fork(); 29     if (pid == 0) { 30         for (i = 0; i < 10; i++) { 31             pthread_mutex_lock(&mm->mutex); 32             (mm->num)++; 33             printf("-child----num++   %d\n", mm->num); 34             pthread_mutex_unlock(&mm->mutex); 35             sleep(1); 36         } 37     } else if (pid > 0) { 38         for ( i = 0; i < 10; i++) { 39             sleep(1); 40             pthread_mutex_lock(&mm->mutex); 41             mm->num += 2; 42             printf("-parent---num+=2  %d\n", mm->num); 43             pthread_mutex_unlock(&mm->mutex); 44         } 45         wait(NULL); 46     } 47 
48     pthread_mutexattr_destroy(&mm->mutexattr);          //銷燬mutex屬性對象
49     pthread_mutex_destroy(&mm->mutex);                //銷燬mutex
50     munmap(mm,sizeof(*mm));                          //釋放映射區
51 
52     return 0; 53 }

進程間使用mutex來實現通訊

（6）文件鎖

藉助 fcntl函數來實現鎖機制。操做文件的進程沒有得到鎖時，能夠打開，但沒法執行read、write操做。

fcntl函數：獲取、設置文件訪問控制屬性。

int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

參2：

F_SETLK (struct flock *) 設置文件鎖（trylock） F_SETLKW (struct flock *) 設置文件鎖（lock）W --> wait F_GETLK (struct flock *) 獲取文件鎖

參3：

struct flock { ... short l_type; 鎖的類型：F_RDLCK 、F_WRLCK 、F_UNLCK short l_whence; 偏移位置：SEEK_SET、SEEK_CUR、SEEK_END off_t l_start; 起始偏移：1000 off_t l_len; 長度：0表示整個文件加鎖 pid_t l_pid; 持有該鎖的進程ID：(F_GETLK only) ... };

進程間文件鎖示例：

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <unistd.h>
 3 #include <sys/types.h>
 4 #include <sys/stat.h>
 5 #include <fcntl.h>
 6 #include <stdlib.h>
 7 
 8 #define __FILE_NAME__ "/opt/linuxC/09-linux-day09/temp.lock"
 9 
10 int main() 11 { 12     int fd = open(__FILE_NAME__, O_RDWR|O_CREAT, 0666); 13     if (fd < 0) 14  { 15         perror("open err:"); 16         return -1; 17  } 18 
19     struct flock lk; 20     lk.l_type = F_WRLCK; 21     lk.l_whence = SEEK_SET; 22     lk.l_start = 0; 23     lk.l_len = 0; 24 
25     if (fcntl(fd, F_SETLK, &lk) < 0) 26  { 27         perror("get lock err:"); 28         exit(1); 29  } 30     //核心邏輯
31     while(1) 32  { 33         printf("I am alive!\n"); 34         sleep(1); 35  } 36     return 0; 37 }