【线程】线程同步

news2025/7/29 6:31:13

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一、信号量

1.函数

2.使用

二、读写锁

1.函数

2.使用

三、互斥锁

1.函数

2.使用

四、条件变量

1.函数

2.使用

前言

线程同步的实现方法：信号量、互斥锁、条件变量、读写锁。

下面就对着四种方法进行展开描述

一、信号量

与进程间通信的信号量类似，参考链接：【Linux】进程间通信——信号量

1.函数

头文件

#include<semaphore.h>

 sem_init()

int sem_init(sem_t *sem,int pshared,unsigned int value);
  • 作用：初始化由sem指向的信号量对象
  • 参数：pshared控制信号量类型，如果为0表示这个信号量是当前进程的局部信号量，否则，这个信号量就可以在多个进程之间共享。
  • 返回值：成功返回0

sem_post()

int sem_post(sem_t *sem);
  • 作用：原子操作的方式给信号量的值+1。所谓原子操作是指，如果两个线程企图同时给一个信号量加1，他们之间不会互相干扰，而不像如果两个程序同时对同一个文件进行读取、增加、写入操作时可能会引起冲突。信号量的值总是被正确地加2，因为有两个线程企图改变它。  
  • 参数：指针作为参数，指向对象是由sem_init调用的初始化信号量。
  • 返回值：成功返回0

sem_wait()

int sem_wait(sem_t *sem);
  • 作用：原子操作的方式给信号量的值-1。但他会等待直到信号量有个非零值才会开始减法操作。因此，如果对值为2的信号量调用sem_wait，线程将继续执行，但信号量的值会减到1.如果对值为0的信号量进行操作，sem_wait函数就会进行等待，直到有其他线程增加了该信号量的值使其不再是0为止。如果两个线程同时在sem_wait调用上等待同一个信号量变为非0值，那么该信号量被第三个线程增加1时，只有其中一个等待线程将开始对信号量-1，然后继续执行，另一个线程还将继续等待。
  • 参数：指针作为参数，指向对象是由sem_init调用的初始化信号量
  • 返回值：成功返回0

sem_destroy()

int sem_destroy(sem_t *sem);
  •  作用：用完信号量之后对它进行清理。
  • 指针作为参数，指向对象是由sem_init调用的初始化信号量，并清理该信号量拥有的所有资源。
  • 返回值：如果企图清理的信号量正在被一些线程等待，就会收到一个错误。成功返回0。

2.使用

用代码实现打印机对ABC顺序打印的操作，如下图所示，使用信号量完成代码：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
#include<semaphore.h>

sem_t sema;
sem_t semb;
sem_t semc;

void* funa(void* arg)
{
	for(int i=0;i<5;i++)
	{
		sem_wait(&sema);//ps1
		printf("A");
		fflush(stdout);
		sem_post(&semb);//vs2
	}
}
void* funb(void* arg)
{
	for(int i=0;i<5;i++)
	{
		sem_wait(&semb);
		printf("B");
		fflush(stdout);
		sem_post(&semc);
	}
}
void* func(void* arg)
{
	for(int i=0;i<5;i++)
	{
		sem_wait(&semc);
		printf("C");
		fflush(stdout);
		sem_post(&sema);
	}
}

int main()
{
	//初始化信号量
	sem_init(&sema,0,1);
	sem_init(&semb,0,0);
	sem_init(&semc,0,0);
	
	//创建线程
	pthread_t id1,id2,id3;
	pthread_create(&id1,NULL,funa,NULL);	
	pthread_create(&id2,NULL,funb,NULL);
	pthread_create(&id3,NULL,func,NULL);

	pthread_join(id1,NULL);
	pthread_join(id2,NULL);
	pthread_join(id3,NULL);

	sem_destroy(&sema);
	sem_destroy(&semb);
	sem_destroy(&semc);
	exit(0);
}

二、读写锁

由上面的程序可知，信号量的使用是A在读取时，阻止B，C的读取，这样拉低程序性能，读取的时候其实可以三个一起读，而在写操作的时候不能读，因此引入读写锁进行优化

1.函数

pthread_rwlock_init();//初始化

pthread_rwlock_destroy();//销毁

pthread_rwlock_rdlock();//读

pthread_rwlock_wrloc();//读写

pthread_rwlock_unlock();//解锁

要求：

  • 在写时，不能读
  • 在读时，不能读
  • 读的话都可以读

2.使用

代码：
读锁阻止写锁

写锁阻止读锁和写锁

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
#include<semaphore.h>

pthread_rwlock_t lock;

void* fun1(void* arg)
{
	for(int i=0;i<5;i++)
	{
		pthread_rwlock_rdlock(&lock);
		printf("fun1 read start----\n");
		sleep(1);
		printf("fun1 over\n");
		pthread_rwlock_unlock(&lock);
		sleep(1);
	}
}
void* fun2(void* arg)
{
	for(int i=0;i<5;i++)
	{
		pthread_rwlock_rdlock(&lock);
		printf("fun2 read start----\n");
		sleep(2);
		printf("fun2 over\n");
		pthread_rwlock_unlock(&lock);
	}
}
void* fun3(void* arg)//写
{
	for(int i=0;i<5;i++)
	{
		pthread_rwlock_wrlock(&lock);
		printf("fun3 read start----\n");
		sleep(3);
		printf("fun3 over\n");
		pthread_rwlock_unlock(&lock);
	}
}
int main()
{
	pthread_rwlock_init(&lock,NULL);
	pthread_t id1,id2,id3;
	pthread_create(&id1,NULL,fun1,NULL);	
	pthread_create(&id2,NULL,fun2,NULL);
	pthread_create(&id3,NULL,fun3,NULL);
	pthread_join(id1,NULL);
	pthread_join(id2,NULL);
	pthread_join(id3,NULL);
	pthread_rwlock_destroy(&lock);
	exit(0);
}

三、互斥锁

用的时候加锁，如果已经被别的进程加锁，那么该进程就只能被阻塞着。

互斥锁可以理解为信号量的子集

1.函数

头文件

#include<pthread.h>

返回值：成功返回0，失败返回错误码 

参数：与信号量类似，都是一个提前声明过的对象指针。对互斥锁来说，这个对象的类型为pthread_mutex_t。

pthread_mutex_init——初始化

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,const pthread_mutexattr_t *mutexattr);

用于设置互斥量的属性，控制互斥量的行为

pthread_mutex_lock——加锁

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_unlock——解锁

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_destroy——销毁

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

2.使用

用代码实现互斥锁的使用，在打印机内A使用前加锁，使用后解锁，B在A使用的时候阻塞，如下图·所示：

代码：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>

pthread_mutex_t mutex;

void* fun1(void* arg)
{
	for(int i=0;i<5;i++)
	{
		pthread_mutex_lock(&mutex);
		printf("A");
		fflush(stdout);
		int n=rand()%3;
		sleep(n);
		printf("A");
		fflush(stdout);
		pthread_mutex_unlock(&mutex);
		n=rand()%3;
		sleep(n);
	}
}

void* fun2(void* arg)
{
	for(int i=0;i<5;i++)
	{
		pthread_mutex_lock(&mutex);
		printf("B");
		fflush(stdout);
		int n=rand()%3;
		sleep(n);
		printf("B");
		fflush(stdout);
		pthread_mutex_unlock(&mutex);
		n=rand()%3;
		sleep(n);
	}
}

int main()
{
	pthread_mutex_init(&mutex,NULL);//初始化
	pthread_t id1,id2;
 	pthread_create(&id1,NULL,fun1,NULL);
 	pthread_create(&id2,NULL,fun2,NULL);
	pthread_join(id1,NULL);
	pthread_join(id2,NULL);	
	pthread_mutex_destroy(&mutex);//销毁
	exit(0);
}

运行结果：

四、条件变量

条件变量提供了一种线程间的通知机制：当某个共享数据达到某个值的时候，唤醒等待 这个共享数据的线程。

唤醒时，如果线程不在等待队列中的（条件变量为空），此时唤醒就无意义

1.函数

头文件

#include<pthread.h>
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *attr); 
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond); //唤醒单个线程 
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond); //唤醒所有等待的线程
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

2.使用

下面代码举例说明funa使用时加锁，用完解锁。funb使用时加锁，用完解锁。键盘输入数据唤醒funa,funb其中一个进行读取。如果键盘输入为end，funa,funb同时被唤醒，退出进程。

加锁的目的防止被他人唤醒被他人加入等待队列

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
#include<semaphore.h>

pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;

void* funa(void* arg)
{
	char*s=(char*)arg;//退化为指向数组首地址指针
	while(1)//先阻塞，直到被唤醒
	{
		pthread_mutex_lock(&mutex);//加锁 用互斥锁保护
		pthread_cond_wait(&cond,&mutex);//加锁，解锁
		pthread_mutex_unlock(&mutex);//解锁

		if(strncmp(s,"end",3)==0)
		{
			break;
		}
		printf("funa: %s",s);
	}
}
void* funb(void* arg)
{
        char*s=(char*)arg;//退化为指向数组首地址指针
        while(1)//先阻塞，直到被唤醒
        {
                pthread_mutex_lock(&mutex);//加锁 用互斥锁保护
                pthread_cond_wait(&cond,&mutex);//加锁，解锁
                pthread_mutex_unlock(&mutex);//解锁

                if(strncmp(s,"end",3)==0)
                {
                        break;
                }
                printf("funb: %s",s);
        }
}

int main()
{
	pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
	pthread_cond_init(&cond,NULL);
	char buff[128]={0};
	pthread_t id1,id2;
	pthread_create(&id1,NULL,funa,(void*)buff);
	pthread_create(&id2,NULL,funb,(void*)buff);
	while(1)
	{
		fgets(buff,128,stdin);
		if(strncmp(buff,"end",3)==0)
		{
			//唤醒所有线程
			pthread_cond_broadcast(&cond);
			break;
		}
		else
		{
			//唤醒一个线程
			pthread_cond_signal(&cond);
		}

	}
	pthread_join(id1,NULL);
	pthread_join(id2,NULL);
	pthread_mutex_destroy(&mutex);
	pthread_cond_destroy(&cond);
}

 

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