线程同步与条件变量

qq_524840932024-05-02 22:36

再论生产消费者问题

问题

如果缓冲池为空，如何定义消费者的行为?

一种可能的解决方案

这种方案是可行的，但是如果生产者一直不生产，那么消费者会反复查看产品的数量为 0 并休眠，这样会浪费 cpu 的资源，并且生产者生产后，消费者并不能马上从休眠状态中被唤醒去取走产品，这种方案的效率并不高

需求:

消费者发现缓冲池为空的时候，主动让出互斥量，并进入等待状态

当缓冲池非空，即: 生产者更新缓冲池状态, 消费者再次竞争锁

关键:

消费者不需要反复多次竞争锁 (缓冲池为空, 直接等待)

生产者可通知消费者再次竞争锁 (生产者与消费者协同机制)

Linux 中的条件变量

条件变量的注意事项

条件变量之间不能相互初始化，也不能相互赋值 (行为未定义)

使用 pthread_cond_init() 初始化的条件变量，必须被销毁，且可以重新初始化

使用 PTHREAD_COND_INITIALIZER 初始化的条件变量不需要销毁

不能使用 未初始化 / 已销毁 的条件变量 (行为未定义)

pthread_cond_wait() 只能由拥有互斥量的线程调用

条件变量的使用

条件变量初体验

test1.c

复制代码 
#define _GNU_SOURCE     /* To get pthread_getattr_np() declaration */
#define _XOPEN_SOURCE >= 500 || _POSIX_C_SOURCE >= 200809L
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <memory.h>
#include <time.h>


int g_count = 0;
pthread_mutex_t g_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t g_cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

void* customer_thread(void* arg)
{     
    while( 1 )
    {
        pthread_mutex_lock(&g_mutex);
        
        if( g_count > 0 )
            printf("%s : %d\n", __FUNCTION__, --g_count);        
        else
            pthread_cond_wait(&g_cond, &g_mutex); // g_cond points to the queue, g_mutex needs to be unlocked
            
        pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
        
        usleep(500 * 1000);
    }
        
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t t = 0;  
    int pre = 0;

    pthread_create(&t, NULL, customer_thread, NULL);
    
    printf("Hello World!\n");
    
    while( 1 )
    {
        pthread_mutex_lock(&g_mutex);
        
        pre = g_count;
        
        printf("%s : %d\n", __FUNCTION__, ++g_count);  
        
        if( pre == 0 )
        {
            printf("%s : %s\n", __FUNCTION__, "signal customer to get product...");
            pthread_cond_signal(&g_cond);
        }
        
        pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
        
        usleep(2000 * 1000); 
    }
    
    printf("End!\n");
  
    return 0;
}

主线程为生产者，负责生产产品；子线程 customer_thread 为消费者，负责取走产品

第 24 行，如果消费者发现没有产品，则调用 pthread_cond_wait(&g_cond, &g_mutex) 阻塞在 g_cond 这个条件变量上，并释放已获取到的互斥锁 g_mutex

第 54 行，如果生产者生产了产品后发现上一次的产品没了，则调用 pthread_cond_signal(&g_cond)，来唤醒阻塞在 g_cond 这个条件变量上的单个消费者线程来取产品，这样原先阻塞在 g_cond 这个条件变量上的某个线程就会被唤醒，重新抢夺互斥锁，取走产品，然后释放互斥锁

程序运行结果如下图所示：

进阶条件变量

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t* cond);

  • 唤起一个等待目标条件变量的线程

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond* cond);

  • 唤起所有等待目标条件变量的线程

一个生产者 vs 多个消费者

存在的问题

解决方案

条件变量深度实验

test2.c

复制代码 
#define _GNU_SOURCE     /* To get pthread_getattr_np() declaration */
#define _XOPEN_SOURCE >= 500 || _POSIX_C_SOURCE >= 200809L
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <memory.h>
#include <time.h>


int g_count = 0;
pthread_cond_t g_cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t g_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void* customer_thread(void* arg)
{   
    int i = (long)arg;  
    
    // prepare to get product
    {
        pthread_mutex_lock(&g_mutex);
        
        if( g_count == 0 )
        // while( g_count == 0 )
            pthread_cond_wait(&g_cond, &g_mutex);
            
        // get product from buffer
        printf("customer %d : %d\n", i, g_count);
        
        g_count--;
            
        pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
    }
        
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t t[10] = {0};
    int len = sizeof(t)/sizeof(*t);
    long i = 0;

    for(i=0; i<len; i++)
    {
        pthread_create(&t[i], NULL, customer_thread, (void*)i);
    }
    
    printf("Hello World!\n");
    
    sleep(1);
    
    {
    
        // prepare to make product
        pthread_mutex_lock(&g_mutex);
        
        int v = g_count;  
        
        g_count += 10;
        
        if( v == 0 )
            pthread_cond_signal(&g_cond); 
            // pthread_cond_broadcast(&g_cond);
        
        pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
    }
    
    for(i=0; i<len; i++)
    {
        pthread_join(t[i], NULL);
    }
    
    printf("End!\n");
  
    return 0;
}

第 46 行，主线程创建 10 个消费者线程 customer_thread，随后主线程休眠 1s，由于产品数量为 0，10 个消费者线程会阻塞在 g_cond 这个条件变量上

第 63 行，主线程生产了 10 个产品后，通过 pthread_cond_signal 来通知阻塞在 g_cond 这个条件变量上的单个线程，这样就会导致 10 个被阻塞的线程只有 1 个线程被唤醒，取走产品，其他线程依旧被阻塞

程序运行结果如下图所示：

pthread_cond_signal(cond) 函数只会唤醒单个阻塞在 cond 条件变量上的单个线程，我们将这个函数替换为 pthread_cond_broadcast(cond)，而这个函数会唤醒所有阻塞在 cond 条件变量上的所有线程，这样 10 个消费者线程都会被唤醒，然后取走产品

替换后的程序

test2.c

复制代码 
#define _GNU_SOURCE     /* To get pthread_getattr_np() declaration */
#define _XOPEN_SOURCE >= 500 || _POSIX_C_SOURCE >= 200809L
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <memory.h>
#include <time.h>


int g_count = 0;
pthread_cond_t g_cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t g_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void* customer_thread(void* arg)
{   
    int i = (long)arg;  
    
    // prepare to get product
    {
        pthread_mutex_lock(&g_mutex);
        
        if( g_count == 0 )
        // while( g_count == 0 )
            pthread_cond_wait(&g_cond, &g_mutex);
            
        // get product from buffer
        printf("customer %d : %d\n", i, g_count);
        
        g_count--;
            
        pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
    }
        
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t t[10] = {0};
    int len = sizeof(t)/sizeof(*t);
    long i = 0;

    for(i=0; i<len; i++)
    {
        pthread_create(&t[i], NULL, customer_thread, (void*)i);
    }
    
    printf("Hello World!\n");
    
    sleep(1);
    
    {
    
        // prepare to make product
        pthread_mutex_lock(&g_mutex);
        
        int v = g_count;  
        
        g_count += 10;
        
        if( v == 0 )
            // pthread_cond_signal(&g_cond); 
            pthread_cond_broadcast(&g_cond);
        
        pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
    }
    
    for(i=0; i<len; i++)
    {
        pthread_join(t[i], NULL);
    }
    
    printf("End!\n");
  
    return 0;
}

程序运行结果如下图所示：

pthread_cond_broadcast() 使得 10 个消费者线程都被唤醒

test3.c

复制代码 
#define _GNU_SOURCE     /* To get pthread_getattr_np() declaration */
#define _XOPEN_SOURCE >= 500 || _POSIX_C_SOURCE >= 200809L
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <memory.h>
#include <time.h>


int g_count = 0;
pthread_cond_t g_cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t g_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void* customer_thread(void* arg)
{   
    int i = (long)arg;  
    
    // prepare to get product
    {
        pthread_mutex_lock(&g_mutex);
        
        if( g_count == 0 )
        // while( g_count == 0 )
            pthread_cond_wait(&g_cond, &g_mutex);
            
        // get product from buffer
        printf("customer %d : %d\n", i, g_count);
        
        g_count--;
            
        pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
    }
        
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t t[10] = {0};
    int len = sizeof(t)/sizeof(*t);
    long i = 0;

    for(i=0; i<len; i++)
    {
        pthread_create(&t[i], NULL, customer_thread, (void*)i);
    }
    
    printf("Hello World!\n");
    
    sleep(1);
    
    {
    
        // prepare to make product
        pthread_mutex_lock(&g_mutex);
        
        int v = g_count;  
        
        g_count += 5;
        
        if( v == 0 )
            pthread_cond_broadcast(&g_cond);
        
        pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
    }
    
    for(i=0; i<len; i++)
    {
        pthread_join(t[i], NULL);
    }
    
    printf("End!\n");
  
    return 0;
}

生产者为 1 个，消费者为 10 个，生产者一次生产 5 个产品

首先，10 个生产者会阻塞在 g_cond 这个条件变量上，生产者生产了 5 个产品后，调用 pthread_cond_broadcast()，唤醒了阻塞在 g_cond 这个条件变量上的 10 个消费者线程，但是消费者线程被唤醒后没有再次进行产品数量判断，而是直接取走了产品，这样就会出现问题

程序运行结果如下图所示：

产品数量出现了负数，我们将 23 行的 if 改为 while 即可解决这个问题

替换后的程序

test3.c

复制代码 
#define _GNU_SOURCE     /* To get pthread_getattr_np() declaration */
#define _XOPEN_SOURCE >= 500 || _POSIX_C_SOURCE >= 200809L
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <memory.h>
#include <time.h>


int g_count = 0;
pthread_cond_t g_cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t g_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void* customer_thread(void* arg)
{   
    int i = (long)arg;  
    
    // prepare to get product
    {
        pthread_mutex_lock(&g_mutex);
        
        while( g_count == 0 )
            pthread_cond_wait(&g_cond, &g_mutex);
            
        // get product from buffer
        printf("customer %d : %d\n", i, g_count);
        
        g_count--;
            
        pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
    }
        
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t t[10] = {0};
    int len = sizeof(t)/sizeof(*t);
    long i = 0;

    for(i=0; i<len; i++)
    {
        pthread_create(&t[i], NULL, customer_thread, (void*)i);
    }
    
    printf("Hello World!\n");
    
    sleep(1);
    
    {
    
        // prepare to make product
        pthread_mutex_lock(&g_mutex);
        
        int v = g_count;  
        
        g_count += 5;
        
        if( v == 0 )
            pthread_cond_broadcast(&g_cond);
        
        pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
    }
    
    for(i=0; i<len; i++)
    {
        pthread_join(t[i], NULL);
    }
    
    printf("End!\n");
  
    return 0;
}

程序运行结果如下图所示：

只有 5 个消费者线程取走了产品

相关推荐
夜听莺儿鸣6 小时前
502-003_Linux 中断与异常(一)：从Linux角度理解中断与异常
linux·中断与异常·linux中断
杨云龙UP7 小时前
TDengine 3.4.2.8 Community 三节点三副本生产集群部署实战（DNode/MNode/taosAdapter/Explorer）
大数据·linux·运维·数据库·tdengine·时序库
向成科技8 小时前
XC3576H工控主板｜深度适配Ubuntu 26.04 LTS，释放边缘AI与工业开发新潜能
linux·人工智能·ubuntu·机器人·硬件·主板·边缘ai
Fcy6488 小时前
Linux下 进程间关系与守护进程
linux·运维·服务器·守护进程
码农小韩9 小时前
Linux驱动理论（二）——Linux字符设备驱动
linux·嵌入式软件开发·linux操作系统·linux应用开发·linux驱动理论
well06129 小时前
Linux粘滞位与Makefile机制深度解析
linux·运维·服务器
再写一行代码就下班9 小时前
linux sh脚本在windows修改导致无法使用解决方式
java·linux·centos
额额额对了9 小时前
SPI通信
linux·c语言·汇编·单片机·嵌入式硬件·arm
子木HAPPY阳VIP10 小时前
Ubuntu 关闭防火墙操作步骤
linux·运维·ubuntu
王振超wzc10 小时前
嵌入式开发环境搭建--WM软件安装,Ubuntu操作系统安装
linux·运维·ubuntu
热门推荐
01国内可直接用、免费额度/永久免费的大模型API清单（含 SiliconFlow、火山、阿里、智谱、百度、Kimi、DeepSeek、DMXAPI 等）02历年考研数学一、数学二、数学三真题试卷及答案PDF03GitHub 镜像站点04Telegram APK 下载安装完整指南 — 2026年最新05蜘蛛磁力 搜索引擎大全，如何使用蜘蛛磁力查找磁力链接062026 爱知・名古屋亚运会怎么看？直播平台+赛程安排分享07微信历史版本含下载地址（ Windows PC | 安卓 | MAC ）及设置微信不更新08Windows 10/11 如何退出微软账户并改用本地账户登录（含找不到选项的解决方法）09给AI一张“业务概念地图“：本体如何从哲学走向企业智能10jev-ultrafast 深度解析：7 秒订机票的浏览器 Agent 是如何炼成的