【Linux】多线程：线程同步、条件变量

一、同步的概念

为什么需要同步呢？

二、条件变量

条件变量的相关概念

1、条件变量的初始化：静态初始化、动态初始化

2、条件变量的等待：pthread_cond_wait函数

工作原理及流程【重要！】

关键点总结

3、条件变量的激发（通知）

一、同步的概念

此处的同步的概念和我们生活中所理解的同步并不是一回事。我们常说的同步，其意义更贴近于在在同一时间内同时执行多个任务，实际上，这在进程/线程调度的理念中叫做并行。

而进程/线程间同步 实际上所指的是协调多个线程或进程的执行顺序，以确保它们以一致和正确的方式访问共享资源。即：在保证数据安全的前提下，让线程能够按照某种特定的顺序访问临界资源，从而有效避免饥饿问题，叫做同步。

为什么需要同步呢？

避免竞争条件: 当多个线程同时访问共享资源时，如果没有适当的同步机制，可能会出现竞争条件，导致不确定的结果。同步确保每次只有一个线程能访问共享资源。

确保数据一致性: 多线程操作可能导致共享数据处于不一致的状态。同步机制确保数据在访问期间保持一致性。

协调线程的执行: 同步用于控制线程的执行顺序和状态，确保线程在适当的时刻执行特定操作。

二、条件变量

在 Linux 中，条件变量（condition variable）是一个用于线程间同步的机制。它允许线程在某些条件满足之前挂起执行，并在条件满足时被唤醒。

条件变量的相关概念

条件变量（condition variable）: 是一种同步机制，通常与互斥锁（mutex）一起使用。它用于实现线程间的等待和通知机制。
等待队列 : 当线程在条件变量上调用 pthread_cond_wait 函数时，它会释放相关的互斥锁并进入一个等待队列中。此时线程会被挂起，直到另一个线程通过条件变量的 pthread_cond_signal 或 pthread_cond_broadcast 函数唤醒它。
互斥锁 : 条件变量的使用必须与互斥锁配合使用，以确保在检查条件和改变条件时的原子性。

1、条件变量的初始化：静态初始化、动态初始化

静态初始化
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
解释：

这是静态初始化条件变量的方式。PTHREAD_COND_INITIALIZER 是一个宏，用于初始化条件变量 cond。该宏定义在 POSIX 线程库中，适用于在编译时已知的全局或静态条件变量。

优点：

不需要额外的初始化函数调用。

不需要手动销毁条件变量，生命周期随程序。

限制：

仅适用于静态或全局条件变量的初始化。

不能用于动态创建的条件变量。

动态初始化
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);
参数：

cond：指向要初始化的条件变量的指针。该条件变量必须在使用之前被初始化。

attr：用于指定条件变量的属性。可以为 NULL，表示使用默认属性；也可以指定一个 pthread_condattr_t 结构体来设置自定义属性。

返回值：

如果初始化成功，返回 0。

如果初始化失败，返回一个错误代码。

优点：

适用于动态分配的条件变量。

可以通过 attr 参数设置条件变量的特定属性。

使用示例：
pthread_cond_t cond;
pthread_cond_init(&cond, NULL);
在使用动态分配方法时，需要在不再需要条件变量时调用 pthread_cond_destroy 来销毁它，以释放相关资源！！！

2、条件变量的等待：pthread_cond_wait函数

条件变量的等待和通知机制依赖于互斥量（mutex），确保在检查和修改条件时的原子性。

函数原型
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);
参数：

cond：指向条件变量的指针。

mutex：指向互斥量的指针。

返回值：

成功时，返回 0。

失败时，返回一个错误代码（例如，EINVAL 或 EPERM）。

工作原理及流程【重要！】

**持有互斥量：**调用 pthread_cond_wait 前，线程必须首先持有与条件变量相关联的互斥锁。 这个互斥量保护了条件变量的状态和与之相关的数据。

挂起线程： 线程在 pthread_cond_wait 被调用时，会自动释放互斥锁，并进入等待队列中将自己挂起（阻塞）。这使得其他线程可以在条件变量上进行信号操作。

条件满足： 当条件满足时（通常由其他线程调用 pthread_cond_signal 或 pthread_cond_broadcast），挂起的线程会被唤醒。唤醒后，线程会重新竞争互斥锁，竞争成功后恢复执行。

检查条件： 唤醒后的线程需要重新检查条件是否满足。如果条件未满足，线程可能会再次调用 pthread_cond_wait 以继续挂起。通常，这种情况在一个**while 循环****中处理，以应对虚假唤醒。**

示例代码
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
int condition = 0;

void* waiting_thread(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while (condition == 0) {
        printf("Waiting for condition...\n");
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
    }
    printf("Condition met! Exiting...\n");
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

void* signaling_thread(void* arg) {
    sleep(2); // Simulate some work
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    condition = 1;
    pthread_cond_signal(&cond);
    printf("Condition signaled.\n");
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t waiter, signaler;
    
    pthread_create(&waiter, NULL, waiting_thread, NULL);
    pthread_create(&signaler, NULL, signaling_thread, NULL);
    
    pthread_join(waiter, NULL);
    pthread_join(signaler, NULL);
    
    pthread_cond_destroy(&cond);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    
    return 0;
}
关键点总结

互斥量管理： 调用 pthread_cond_wait 之前，必须先锁定互斥量。条件变量在内部会自动解锁互斥量并挂起线程，然后在条件满足后再重新锁定互斥量。

条件检查： 使用 pthread_cond_wait 后，需要在 while 循环中检查条件，以处理可能的虚假唤醒（假设线程被唤醒时条件并未真正满足）。

虚假唤醒： pthread_cond_wait 可能会由于虚假唤醒而返回，即使条件尚未满足。因此，条件变量的等待通常放在 while 循环中，以确保条件的正确性。

通知机制： 其他线程可以使用 pthread_cond_signal 唤醒一个等待中的线程，或使用 pthread_cond_broadcast 唤醒所有等待中的线程。

销毁资源： 在使用完条件变量和互斥量后，应该调用 pthread_cond_destroy 和 pthread_mutex_destroy 来释放资源。

3、条件变量的激发（通知）

3.1、一次唤醒单个线程的函数：pthread_cond_signal

函数原型
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
参数：

cond：指向条件变量的指针。

返回值：

成功时，返回 0。

失败时，返回一个错误代码（例如，EINVAL 或 EPERM）。

工作原理

持有互斥量： 调用 pthread_cond_signal 前，线程必须首先持有与条件变量相关联的互斥量。这个互斥量保护了条件变量的状态和与之相关的数据。

唤醒线程： 当 pthread_cond_signal 被调用时，至少有一个挂起的线程（等待条件变量）被唤醒（解除阻塞）。如果多个线程在等待同一个条件变量，通常会选择一个线程来唤醒。被唤醒的线程尝试重新获得互斥量以便继续执行。

继续执行： 被唤醒的线程退出 pthread_cond_wait 函数，并继续执行。一般地，它会重新检查它等待的条件，以确保它真的被激发的，而不仅仅是虚假唤醒。

3.2、一次唤醒全部线程的函数：pthread_cond_signal

pthread_cond_broadcast 是 POSIX 线程库（pthread）中的一个函数，用于**激发条件变量上所有等待的线程。**与 pthread_cond_signal 不同，pthread_cond_broadcast 会唤醒所有等待在指定条件变量上的线程，而不仅仅是一个线程。这在某些情况下非常有用，例如：当条件变化会影响多个线程时。

函数原型
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
参数：

cond：指向条件变量的指针。

返回值：

成功时，返回 0。

失败时，返回一个错误代码（例如，EINVAL 或 EPERM）。

工作原理

持有互斥量： 在调用 pthread_cond_broadcast 之前，线程必须持有与条件变量相关联的互斥量。这是为了保护条件变量及其相关的数据，并确保状态的原子性。

唤醒所有线程： 当 pthread_cond_broadcast 被调用时，它会唤醒所有在该条件变量上等待的线程。被唤醒的线程会尝试重新获得互斥量，然后继续执行。

重新检查条件： 被唤醒的线程会退出 pthread_cond_wait，但通常会重新检查它所等待的条件。如果条件未满足，它可能会再次调用 pthread_cond_wait，继续等待。这样做是为了处理虚假唤醒的情况。

3.3、需要注意的点！！！

虚假唤醒： 即便条件不满足，pthread_cond_wait 也可能因为虚假唤醒而返回。因此，依赖于条件变量等待的代码经常在 while 循环中检查条件，以确保线程确实被因为条件成立而唤醒：

pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;
int condition;

// ...

void wait_for_condition() {
while (!condition) {
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}
// condition 现在为真，执行其他工作...
}

3.4、对比总结

pthread_cond_signal：

唤醒一个等待线程。

适用于只需要通知一个线程的场景。

可能更高效，尤其是在只需要唤醒一个线程的情况下，减少了不必要的线程唤醒开销。

pthread_cond_broadcast：

唤醒所有等待线程。

适用于需要通知所有等待线程的场景。

确保所有等待线程都能接收到条件变化，从而做出适当的响应。

要真正的理解同步，我们还需借助代码来理解。下一节我们将介绍使用互斥锁与条件变量实现的生产者消费者模型。