Linux线程同步(互斥锁，条件变量，信号量，自旋锁，读写锁）

本文链接：https://blog.csdn.net/Wwc_code/article/details/117018717

本文详细介绍了多种锁机制，包括互斥锁、条件变量、信号量、自旋锁及读写锁等，并通过实例展示了生产者-消费者模型的实现方法。

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基础知识

在这里插入图片描述

1.互斥锁

初始化锁
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,
const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
阻塞加锁
int pthread_mutex_lock
非阻塞加锁
解锁
int pthread_mutex_unlock
销毁，释放资源

== 互斥锁存在优先唤醒的问题==

2.条件变量

声明条件变量：pthread_cond_t cond;
声明条件变量并初始化：
pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER

初始化条件变量
int pthread_cond_init()
阻塞等待
int pthread_cond_wait()
超时等待
int pthread_cond_timewaite()
唤醒一个等待该条件的线程
int pthread_cond_signal()
唤醒全部等待该条件的线程
int pthread_cond_broadcast()
销毁条件变量
int pthread_cond_destroy()

3.条件变量和互斥锁关系

pthread_cond_wait函数发生：

释放互斥锁
等待条件
条件被触发–原子操作
给互斥锁加锁–原子操作

4.生产、消费者模型

在这里插入图片描述

代码实现1：

#include<stdio.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netdb.h>
#include<vector>
#include <pthread.h>
#include <signal.h>
using namespace std;
int mesgid=1;
struct st_message
{
  int mesgid;
  char message[1024];
}stmesg;

vector<struct st_message>vcache;//用容器做缓存
pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER;//声明并初始化条件变量
pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;//声明并初始化互斥锁
{
   struct st_message stmesg;
 while(true)
  {
   pthread_mutex_lock(&mutex);
   //如果缓存为空，等待
   while(vcache.size()==0)
   {
     pthread_cond_wait(&cond,&mutex);
   } 
   //从缓存中获取第一条记录，然后删除记录
   memcpy(&stmesg,&vcache[0],sizeof(struct st_message));
   vcache.erase(vcache.begin());
   pthread_mutex_unlock(&mutex);
   printf("phid=%ld,mesgid=%d\n",pthread_self(),stmesg.mesgid);
   usleep(100);
  }
} 
//生产者把生产的数据存入缓存
void incache(int sig)
{
   struct st_message stmesg;
   memset(&stmesg,0,sizeof(stmesg));
   pthread_mutex_lock(&mutex);//加锁
   //生产数据，放入缓存
   stmesg.mesgid=mesgid++;
   vcache.push_back(stmesg);
   pthread_mutex_unlock(&mutex);
   pthread_cond_broadcast(&cond);//触发条件，激活全部线程
   //pthread_cond_signal(&cond);//激活条件，激活排队中的第一个线程）
}
int main()
{  
   signal(15,incache); 
   pthread_t thid1,thid2,thid3;
   pthread_create(&thid1,NULL,outcache,NULL);
   pthread_create(&thid2,NULL,outcache,NULL);
   pthread_create(&thid3,NULL,outcache,NULL);
   pthread_join(thid1,NULL);
   pthread_join(thid2,NULL);
   pthread_join(thid3,NULL);
   return 0;
}

在这里插入图片描述
代码实现2：
多生产者，多消费者

//多生产者多消费者模型
#include <unistd.h>
#include<stdio.h>
#define M 8
#define N 10
#include<semaphore.h>
#include <pthread.h>
//定义三个信号量，缓冲区大小，产品
sem_t space,prod,buf;
int Buffer[N];
int in=0;
int out=0;
void* producer(void* p);
void* consumer(void* p);

int main(void)
{ 
  sem_init(&space,0,N);
  sem_init(&prod,0,0);
  sem_init(&buf,0,1);
  pthread_t tid1[M],tid2[M];
  for(int i=0;i<M;i++)
  {   
      pthread_create(&tid1[i],NULL,producer,NULL);
  }
  for(int i=0;i<M;i++)
  {
      pthread_create(&tid2[i],NULL,consumer,NULL);
  }
  sleep(20);
  sem_destroy(&space);
  sem_destroy(&prod);
  sem_destroy(&buf);
  return 0;
}
void* producer(void* p)
{
   while(1)
   {
       sem_wait(&space);
       sem_wait(&buf);
       printf("Put a product into Buf[%d]\n",in);
       in=(in+1)%N;
       sem_post(&prod);
       sem_post(&buf);
   }
   pthread_exit(0);
   return NULL;
 }
void* consumer(void* p)
{
   while(1)
   {
       sem_wait(&prod);
       sem_wait(&buf);
       printf("Get a product from Buf[%d]\n",out);
       out=(out+1)%N;
       sem_post(&space);
       sem_post(&buf);
    }
   pthread_exit(0);
   return NULL;
}

运行窗口：
在这里插入图片描述

5.信号量

数值表示空闲临界资源的数量
初始化信号量 int sem_init
等待信号量:信号量值为0则等待
int sem_wait
释放信号量：信号量加1
int sem_post
获取信号量
int sem_getvalue
销毁信号量，释放资源
int sem_destroy

6.信号量实现高速缓存

信号量可以和互斥锁实现相同的功能
sem_wait(&sem)
sem_post(&sem)
pthread_mutex_lock(&mutex)
pthread_mutex_unlock(&mutex)

#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netdb.h>
#include<vector>
#include <pthread.h>
#include <signal.h>
using namespace std;
int mesgid=1;
struct st_message
{ 
  int mesgid;
  char message[1024];
}stmesg;
//容器做高速缓存
vector<struct st_message>vcache;//用容器做缓存
pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER;//声明并初始化条件变量
pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;//声明并初始化互斥锁
sem_t sem;//声明信号量
void *outcache(void *arg)
{
   struct st_message stmesg;
 while(true)
  {
   while(vcache.size()==0)
   {
     sem_wait(&sem);
   }
   pthread_mutex_lock(&mutex);
   //再次进行判断，保证确实是有资源的，此操作非原子操作
   if(vcache.size()==0)
   {
       pthread_mutex_unlock(&mutex);
       continue;
   }
   //如果缓存为空，等待
   //从缓存中获取第一条记录，然后删除记录
   memcpy(&stmesg,&vcache[0],sizeof(struct st_message));
   vcache.erase(vcache.begin());
   pthread_mutex_unlock(&mutex);
   printf("phid=%ld,mesgid=%d\n",pthread_self(),stmesg.mesgid);
//如果不sleep，则会被进程一直抢占资源
   usleep(100);
  }
}
//生产者把生产的数据存入缓存
void incache(int sig)
{
   struct st_message stmesg;
   memset(&stmesg,0,sizeof(stmesg));
   pthread_mutex_lock(&mutex);//加锁
   //生产数据，放入缓存
   stmesg.mesgid=mesgid++;
   vcache.push_back(stmesg);
   pthread_mutex_unlock(&mutex);
   sem_post(&sem);//信号量加1 
   //pthread_cond_signal(&cond);//激活条件，激活排队中的第一个线程）
}
int main()
{
   signal(15,incache);
   sem_init(&sem,0,1);//初始化信号量为1
   pthread_t thid1,thid2,thid3;
   pthread_create(&thid1,NULL,outcache,NULL);
   pthread_create(&thid2,NULL,outcache,NULL);
   pthread_create(&thid3,NULL,outcache,NULL);
   pthread_join(thid1,NULL);
   pthread_join(thid2,NULL);
   pthread_join(thid3,NULL);
   return 0;
}