第1关:信号量
任务描述
在上一个实训中,我们学习了使用互斥锁来实现线程的同步,Linux系统中还提供了另一个类似互斥锁的线程不同操作,那就是信号量。
本关任务:学会使用信号量来实现线程间的同步与互斥。
相关知识
互斥锁变量(Mutex)是非0即1的,可看作一种资源的可用数量。当初始化Mutex为1时,则表示当前资源可用,可以通过加锁操作来获取该资源,当加锁成功后,将Mutex减到0。当Mutex为0时,则表示当前资源不可用,只有对该资源进行减锁操作后,该资源才可用,当减锁成功后,将Mutex重新加到1。
Linux系统中提供与互斥锁相似功能的操作,它就是信号量。它们都可以用来表示资源的可用数量,与互斥锁不同之处是,信号量可以表示资源的可用数量大于1,而互斥锁只能是1。
信号量广泛用于线程间的同步和互斥,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。当信号量值大于0时,则可以访问,否则将阻塞。PV 原语是对信号量的操作,一次P操作使信号量减1,一次V操作使信号量加1。
信号量用于多线程同步的步骤如下所示:
[信号量同步多线程]
以上操作可以保证,线程1和线程2的执行顺序为:线程1 > 线程2 > 线程1 > 线程2> ...。这样就实现了线程的同步执行。
信号量用于多线程互斥的步骤如下所示:
[信号量互斥多线程]
以上操作可以保证,线程1和线程2同一时刻只能有一个线程执行。这样就实现了线程的互斥执行。
Linux 系统中提供了如下几个函数来操作信号量:
以上函数我们可以使用man命令来查询该函数的使用方法。具体的查询命令为:man 3 函数名。
初始化信号量
Linux 系统提供一个sem_init库函数来对信号量进行初始化。
sem_init函数的具体的说明如下:
需要的头文件如下:
cs
#include <semaphore.h>
函数格式如下:
cs
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
参数说明:
cs
sem:信号量变量;
pshared:是否共享,如果的值为0,那么信号量将被进程内的线程共享。如果是非零值,那么信号量将在进程之间共享。
value:信号量的初始值;
函数返回值说明:
调用成功,返回值为0,否则返回值为-1,并且设置错误代码errno。
P操作
判断资源使用可用,则使用信号量P操作,也就是当信号量值大于零时,P操作将信号量值减一并返回,如果信号量值小于等于零,则P操作阻塞,Linux提供两个常见的P操作函数,分别是:sem_wait和sem_trywait,这些函数的具体的说明如下:
需要的头文件如下:
cs
#include <semaphore.h>
函数格式如下:
cs
int sem_wait(sem_t *sem);
int sem_trywait(sem_t *sem);
参数说明:
cs
sem:要被执行P操作的信号量变量
函数返回值说明:
调用成功,返回值为0,否则返回值为-1,并且设置错误代码errno。
sem_wait和sem_trywait区别:
用sem_wait执行P操作时,如果sem的值等于0,则当前线程被阻塞等待。而sem_trywait函数则不同,如果sem的值等于0,它将立即返回而不是阻塞等待,并且设置错误代码为EAGAIN。
V操作
对信号量有减一操作(P操作),则就存在响应的加一操作(V操作)。Linux提供了一个sem_post函数来执行V操作,这个函数的具体的说明如下:
需要的头文件如下:
cs
#include <semaphore.h>
函数格式如下:
cs
int sem_post(sem_t *sem);
参数说明:
cs
sem:要被执行V操作的信号量变量
函数返回值说明:
调用成功,返回值为0,否则返回值为-1,并且设置错误代码errno。
获取信号量值操作
Linux 提供了一个sem_getvalue函数来获取信号量值操作,这个函数的具体的说明如下:
需要的头文件如下:
cs
#include <semaphore.h>
函数格式如下:
cs
int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);
参数说明:
cs
sem:要获取值的信号量变量;
sval:用于存放信号量的值;
函数返回值说明:
调用成功,返回值为0,否则返回值为-1,并且设置错误代码errno。
注销信号量操作
当一个信号量使用完毕后,必须进行清除。Linux 提供了一个sem_destroy函数来注销一个信号量,这个函数的具体的说明如下:
需要的头文件如下:
cs
#include <semaphore.h>
函数格式如下:
cs
int sem_destroy(sem_t *sem);
参数说明:
cs
sem:要被执行注销操作的信号量
函数返回值说明:
调用成功,返回值为0,否则返回值为-1,并且设置错误代码errno。
案例演示1:
编写一个程序,使用信号量来使得线程互斥执行。详细代码如下所示:
cs
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
char *buffer[2];
int position = 0;
//定义一个全局的信号量
sem_t sem;
void *addNumer(void *arg)
{
sem_wait(&sem);
buffer[position] = (char *)arg;
sleep(1);
position++;
sem_post(&sem);
return NULL;
}
int main()
{
sem_init(&sem, 0, 1); //初始化信号量为1
int i;
for(i = 0; i < 2; i++)
buffer[i] = NULL;
pthread_t thread1, thread2;
pthread_create(&thread1, NULL, addNumer, "String1");
pthread_create(&thread2, NULL, addNumer, "String2");
pthread_join(thread1, NULL);
pthread_join(thread2, NULL);
for(i = 0; i < 2; i++)
{
if(buffer[i] != NULL);
printf("%s\n", buffer[i]);
}
sem_destroy(&sem); //注销信号量
return 0;
}
将以上代码保存为semThread.c文件,编译执行。可以看到buffer数组中每个元素(buffer[0]和buffer[1])都不为空,如果我们没有使用信号量来互斥线程,则可能出现buffer数组中只有一个元素(buffer[0])不为空,而另一个元素(buffer[1])为空。
编程要求
本关的编程任务是补全右侧代码片段中Begin至End中间的代码,具体要求如下:
补全ThreadHandler1和ThreadHandler2函数中代码,使用信号量来同步这两个线程(两个线程相互交替执行),使其执行顺序为ThreadHandler1 > ThreadHandler2 > ThreadHandler1...;
信号量sem1被初始化为1,信号量sem2被初始化为0;
提示:参考相关知识中的信号量同步多线程内容;
测试说明
本关的测试需要用户在右侧代码页中补全代码,然后点击评测按钮,平台会自动验证用户是否按照要求去检测结果。
开始你的任务吧,祝你成功!
解答:
cs
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <semaphore.h>
//全局信号量 sem1已被初始化为1,sem2被初始化为0
extern sem_t sem1, sem2;
//全局共享变量
extern char *ch;
/************************
* 参数arg: 是线程函数的参数
*************************/
void *ThreadHandler1(void *arg)
{
int i = 0;
for(i = 0; i < 3; i++)
{
/********** BEGIN **********/
sem_wait(&sem1);
/********** END **********/
printf("%c", *ch);
usleep(100);
ch++;
/********** BEGIN **********/
sem_post(&sem1);
/********** END **********/
}
pthread_exit(NULL);
}
/************************
* 参数arg: 是线程函数的参数
*************************/
void *ThreadHandler2(void *arg)
{
int i = 0;
for(i = 0; i < 3; i++)
{
/********** BEGIN **********/
sem_wait(&sem1);
/********** END **********/
printf("%c", *ch);
ch++;
/********** BEGIN **********/
sem_post(&sem1);
/********** END **********/
}
pthread_exit(NULL);
}
第2关:读写锁
任务描述
当有一个数据即可以被读取,又可以被修改时,为了保证数据的一致性,最简单的方法是通过互斥锁对数据进行加锁操作。但是互斥锁的缺点是一旦数据被加锁后,只能有一个读线程或写线程来执行,而我们实际想要的效果是,同一时刻只能有一个线程对数据进行修改,而同一时刻可以有多个线程对其进行读取操作。那么互斥锁就无法满足我们的需求。Linux 系统中存在另一个锁可以实现以上需求,那就是读写锁。
本关任务:学会使用读写锁来实现线程间的同步。
相关知识
读写锁与互斥量类似,不过读写锁允许更改的并行性。互斥量要么是锁住状态,要么就是不加锁状态,而且一次只有一个线程可以对其加锁。因此,读写锁允许更高的并行性。
读写锁对共享资源的访问者划分成读者和写者,读者只对共享资源进行读访问,写者则需要对共享资源进行写操作。读写锁允许同时有多个读者来访问共享资源,而只允许同时有一个写则来访问共享资源,并且读写锁同时只能有一个写者或多个读者来访问共享资源。因此,读写锁具有的 写独占 和 读共享 的特性。
读写锁的规则如下所示:
如果某线程申请了读锁,其它线程可以再申请读锁,但不能申请写锁;
如果某线程申请了写锁,其它线程不能申请读锁,也不能申请写锁;
Linux 系统中提供了如下几个函数来操作读写锁:
以上函数我们可以使用man命令来查询该函数的使用方法。具体的查询命令为:man 3 函数名。
初始化读写锁
使用读写锁前必须先进行初始化操作。在 Linux 中初始化读写锁有两种方式,分别是:(1)静态赋值法;(2)使用初始化函数。
1、静态赋值法
静态赋值法是直接将宏结构常量直接赋值给互斥锁,例如使用静态赋值法来初始化一个读写锁变量:
cs
pthread_rwlock_t rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;
2、函数赋值法
Linux 系统提供一个pthread_rwlock_init库函数来对读写锁进行初始化。
pthread_rwlock_init函数的具体的说明如下:
需要的头文件如下:
cs
#include <pthread.h>
函数格式如下:
cs
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);
参数说明:
cs
rwlock:读写锁变量;
attr:读写锁属性,通常设置为NULL;
函数返回值说明:
调用成功,返回值为0,否则返回值为非零的错误代码。
加锁操作
读写锁的加锁操作分为两个,分别是:读加锁和写加锁。对于读加锁 Linux 提供了两个库函数,分别是:pthread_rwlock_rdlock和pthread_rwlock_tryrdlock。对于写加锁 Linux 提供了两个库函数,分别是:pthread_rwlock_wrlock和pthread_rwlock_trywrlock。这些函数的具体的说明如下:
需要的头文件如下:
cs
#include <pthread.h>
函数格式如下:
cs
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
参数说明:
cs
rwlock:要被执行加锁操作的读写锁变量
函数返回值说明:
调用成功,返回值为0,否则返回一个非零的错误码。
pthread_rwlock_rdlock和pthread_rwlock_tryrdlock区别:
用pthread_rwlock_rdlock加锁时,如果rwlock已经被写线程所锁住,当前尝试加读锁的线程就会被阻塞,直到写线程将rwlock释放。而pthread_rwlock_tryrdlock函数则不同,如果rwlock已经被写线程所锁住,它将立即返回,返回的错误码为EBUSY,而不是阻塞等待。
pthread_rwlock_wrlock和pthread_rwlock_trywrlock区别:
用pthread_rwlock_wrlock加锁时,如果rwlock已经被读线程所锁住,当前尝试加写锁的线程就会被阻塞,直到读线程将rwlock释放。而pthread_rwlock_trywrlock函数则不同,如果rwlock已经被读线程所锁住,它将立即返回,返回的错误码为EBUSY,而不是阻塞等待。
解锁操作
有加锁操作就相对应的有解锁操作。Linux 提供了一个pthread_rwlock_unlock函数来解锁操作,包括了解读锁和解写锁,这个函数的具体的说明如下:
需要的头文件如下:
cs
#include <pthread.h>
函数格式如下:
cs
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
参数说明:
cs
rwlock:要被执行解锁操作的读写锁变量
函数返回值说明: 调用成功,返回值为0,否则返回一个非零的错误码。
注销锁操作
当一个读写锁使用完毕后,必须进行清除。Linux 提供了一个pthread_rwlock_destroy函数来注销一个读写锁,这个函数的具体的说明如下:
需要的头文件如下:
cs
#include <pthread.h>
函数格式如下:
cs
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
参数说明:
cs
rwlock:要被执行注销操作的读写变量
函数返回值说明:
调用成功,返回值为0,否则返回一个非零的错误码。
注意:如果使用静态初始化来初始化一个读写锁,则无需使用pthread_rwlock_destroy对其注销。
案例演示1:
编写一个程序,使用静态初始化方法来初始化一个互斥锁,并对一个全局变量进行加锁。详细代码如下所示:
cs
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stddef.h>
#include <time.h>
int globalNumber = 2;
//定义一个读写锁
pthread_rwlock_t numberRWlock;
void *readNumber(void *arg)
{
int i = 0;
for(i = 0; i < 3; i++)
{
pthread_rwlock_rdlock(&numberRWlock);
time_t timer;
struct tm *tblock;
timer = time(NULL);
tblock = localtime(&timer);
printf("globalNumber: %d\tcurrent time: %s", globalNumber, asctime(tblock));
pthread_rwlock_unlock(&numberRWlock);
sleep(2);
}
return NULL;
}
void *writeNumber(void *arg)
{
int i = 0;
for(i = 0; i < 6; i++)
{
pthread_rwlock_wrlock(&numberRWlock);
globalNumber++;
pthread_rwlock_unlock(&numberRWlock);
sleep(1);
}
return NULL;
}
int main()
{
//初始化读写锁
pthread_rwlock_init(&numberRWlock, NULL);
pthread_t thread1, thread2, thread3;
pthread_create(&thread1, NULL, readNumber, NULL);
pthread_create(&thread2, NULL, readNumber, NULL);
pthread_create(&thread3, NULL, writeNumber, NULL);
pthread_join(thread1, NULL);
pthread_join(thread2, NULL);
pthread_join(thread3, NULL);
//注销读写锁
pthread_rwlock_destroy(&numberRWlock);
return 0;
}
将以上代码保存为RWLockThread.c文件,编译执行。可以看到读数据的两个线程是同时将globalNumber变量的值打印出来,也就是说读线程是同时执行的。
编程要求
本关的编程任务是补全右侧代码片段中Begin至End中间的代码,具体要求如下:
补全ReadHandler和WriteHandler函数中代码,使用读写锁对position和buffer变量加锁;
使同一时刻只能有一个线程执行WriteHandler函数,并且没有线程执行ReadHandler函数;
当没有线程执行WriteHandler函数时,允许有多个线程同时执行ReadHandler函数。
测试用例:存在3个线程来执行WriteHandler函数,存在2个线程来执行ReadHandler函数;
提示:执行WriteHandler函数的线程优先级高于执行ReadHandler函数的线程,并且buffer变量的默认为a;
测试说明
本关的测试需要用户在右侧代码页中补全代码,然后点击评测按钮,平台会自动验证用户是否按照要求去检测结果。
开始你的任务吧,祝你成功!
解答:
cs
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
//全局读写锁
extern pthread_rwlock_t rwlock;
//全局共享变量
extern char buffer[3];
extern int position;
/************************
* 参数arg: 是线程函数的参数
*************************/
void *ReadHandler(void *arg)
{
int i;
for(i = 0; i < 3; i++)
{
/********** BEGIN **********/
pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
/********** END **********/
printf("%c\n", buffer[i]);
/********** BEGIN **********/
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
/********** END **********/
usleep(800);
}
pthread_exit(NULL);
}
/************************
* 参数arg: 是线程函数的参数
*************************/
void *WriteHandler(void *arg)
{
/********** BEGIN **********/
pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
/********** END **********/
buffer[position] = *(char*)arg;
sleep(1);
position++;
/********** BEGIN **********/
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
/********** END **********/
pthread_exit(NULL);
}
第3关:项目实战
任务描述
本关任务:利用信号量实现一个读写锁。
相关知识
Linux 系统中提供了现成的读写锁库函数,也就是上一关我们学习的。其实,我们利用其他线程同步的方法也可以实现一个读写锁。
读写锁 需要满足如下规则:
如果某线程申请了读锁,其它线程可以再申请读锁,但不能申请写锁;
如果某线程申请了写锁,其它线程不能申请读锁,也不能申请写锁;
通过实训"Linux之线程同步一"的学习,我们现在知道如何互斥锁和条件变量来同步线程。那么利用 互斥锁 和 条件变量 知识就可以简单的读写锁。
利用条件变量和互斥锁实现读写锁
使用条件变量和互斥锁实现读写锁,根据读写锁的特性,当有读者在读取数据时,则不能有线程对数据进行写操作,并且同时可以存在多个读者。当有写者在对数据进行写操作的时候,则不能有线程对数据进行读操作,并且同一时刻只能有一个写者。因此,实现一个简单的读写锁可以分为以下几步:
cs
定义两个变量用于记录读者(readNum)和写者(writeNum)的个数;
对于写模式的加锁,如果readNum和writeNum同时为0,则将writeNum设置为1表示此时有一个写者需要对数据进行写操作;否则,写模式的加锁操作处于等待状态;
对于写模式的解锁,如果完成的写操作,此时需要将writeNum设置为0,表示此时没有写操作,并且通知读者可以读取数据了;
对于读模式的加锁,如果writeNum为0,则表示当前没有写操作,可以读取数据,并且将readNum值加一表示多了一个读者;否则,读模式的加锁操作处于等待状态;
对于读模式的解锁,如果完成的读操作,此时需要将readNum减一操作,然后判断readNum是否为0,如果为零,则通知写者可以执行写操作;
详细的代码设计为:
cs
//定义两个变量用于标示读者和写者的个数
int readNum, writeNum;
//定义一个条件变量和互斥变量
pthread_cond_t cond;
pthread_mutex_t mutex; //用于同步readNum和writeNum两个变量
//初始化函数
void my_rwlock_init()
{
readNum = writeNum = 0;
pthread_cond_init(&cond, NULL);
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
}
//注销函数
void my_rwlock_destroy()
{
pthread_cond_destroy(&cond);
pthread_mutex_destroy(&mutex);
}
//写模式加锁
void my_rwlock_wrlock()
{
pthread_mutex_lock(&mutex);
while(readNum > 0 || writeNum != 0)
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
writeNum = 1;
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
//写模式解锁
void my_rwlock_unwrlock()
{
pthread_mutex_lock(&mutex);
writeNum = 0;
//写者完成了写操作后,则通知读者可以读取数据
pthread_cond_broadcast(&cond);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
//读模式加锁
void my_rwlock_rdlock()
{
pthread_mutex_lock(&mutex);
while(writeNum != 0)
pthread_cond_wait(&cond, &mutex); //当存在写者进行写操作时,则睡眠当前读者线程
readNum++;
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
//读模式解锁
void my_rwlock_unrdlock()
{
pthread_mutex_lock(&mutex);
readNum--;
if(readNum == 0)
pthread_cond_broadcast(&cond); //当读者数量为0时,则通知写者可以进行写操作
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
利用互斥锁实现读写锁
只使用互斥锁也可以实现读写锁,详细的步骤可分为以下几步:
cs
定义一个变量用于记录读者(readNum)的个数和两个互斥锁,分别是读模式的互斥锁(mutex_read)和写模式的互斥锁(mutex_write);
对于写模式的加锁,直接对mutex_write进行加锁操作即可;
对于写模式的解锁,直接对mutex_write进行解锁操作即可;
对于读模式的加锁,首先判断读者的数量是否为0,如果为0,则表示第一个读者要去读取数据,那么此时要禁止写者进行写数据操作,所以对mutex_write进行加锁操作并设置readNum++;否则直接将readNum++即可;
对于读模式的解锁,首先将readNum--,然后判断此时是否readNum为0,如果为0,则表示现在允许写者可以写数据,因此要对mutex_write进行解锁操作;
详细的代码设计为:
cs
//定义一个变量用于标示读者的个数
int readNum;
//定义两个互斥变量
pthread_mutex_t mutex_read;
pthread_mutex_t mutex_write;
//初始化函数
void my_rwlock_init()
{
readNum = 0;
pthread_mutex_init(&mutex_read, NULL);
pthread_mutex_init(&mutex_write, NULL);
}
//注销函数
void my_rwlock_destroy()
{
pthread_mutex_destroy(&mutex_write);
pthread_mutex_destroy(&mutex_read);
}
//写模式加锁
void my_rwlock_wrlock()
{
pthread_mutex_lock(&mutex_write);
}
//写模式解锁
void my_rwlock_unwrlock()
{
pthread_mutex_unlock(&mutex_write);
}
//读模式加锁
void my_rwlock_rdlock()
{
pthread_mutex_lock(&mutex_read);
if(readNum == 0)
pthread_mutex_lock(&mutex_write); //表示第一个读者要去读取数据,那么此时要禁止写者进行写数据操作
readNum++;
pthread_mutex_unlock(&mutex_read);
}
//读模式解锁
void my_rwlock_unrdlock()
{
pthread_mutex_lock(&mutex_read);
readNum--;
if(readNum == 0)
pthread_mutex_unlock(&mutex_write); //表示现在允许写者可以写数据
pthread_mutex_unlock(&mutex_read);
}
编程要求
本关的编程任务是补全右侧代码片段中Begin至End中间的代码,具体要求如下:
利用信号量实现读写锁功能;
补全sem_rwlock_rdlock和sem_rwlock_unrdlock函数;
sem_rwlock_rdlock函数用于读模式下的读加锁操作;
sem_rwlock_unrdlock函数用于读模式下的读解锁操作;
提示:参考两个互斥锁和一个变量实现读写锁的方式,互斥锁其实就是 0-1 信号量;
评测读写锁实现是否正确所使用的测试用例与上一关测试用例一致,详细描述参考上一关编程要求介绍;
测试说明
本关的测试需要用户在右侧代码页中补全代码,然后点击评测按钮,平台会自动验证用户是否按照要求去检测结果。
开始你的任务吧,祝你成功!
解答:
cs
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
//记录读线程的个数
extern int reader;
//全局的信号量变量
extern sem_t sem_read, sem_write;
//读写锁初始化函数
void sem_rwlock_init()
{
reader = 0;
//初始化信号量个1
sem_init(&sem_read, 0, 1);
sem_init(&sem_write, 0, 1);
}
//读写锁注销函数
void sem_rwlock_destroy()
{
sem_destroy(&sem_read);
sem_destroy(&sem_write);
}
//读模式下的加锁操作
void sem_rwlock_rdlock()
{
//读模式下加锁操作
/********** BEGIN **********/
sem_wait(&sem_read);
if(reader == 0)
sem_wait(&sem_write);
reader++;
sem_post(&sem_read);
/********** END **********/
}
//读模式下的解锁操作
void sem_rwlock_unrdlock()
{
//读模式下解锁操作
/********** BEGIN **********/
sem_wait(&sem_read);
reader--;
if(reader == 0)
sem_post(&sem_write);
sem_post(&sem_read);
/********** END **********/
}
//写模式下的加锁操作
void sem_rwlock_wrlock()
{
sem_wait(&sem_write);
}
//写模式下的解锁操作
void sem_rwlock_unwrlock()
{
sem_post(&sem_write);
}