線程互斥機制

Mutex變量就像一把“鎖”,，是線程同步和保護共享數據的主要方式 
Mutex可以用來阻止競爭 
Pthreads中Mutex的基本概念 
在任何時候,，只有一個線程能夠獲得Mutex 
盡管幾個線程想獲取一個Mutex,，但是只有一個線程能夠成功 
其他線程需要等待,，直到獲取Mutex的線程放棄Mutex 
線程必須輪流訪問需要保護的數據 
線程經常利用mutex來加鎖需要更新的全局變量,，這也是幾個線程需要同時更新全局變量時使用的安全方法 
這樣能保證在多線程環(huán)境下的全局變量的更新就如在單線程環(huán)境中一樣 
此全局變量的更新屬于“臨界區(qū)”

創(chuàng)建和初始化mutex 
使用mutex 
各線程嘗試獲取mutex 
但僅有一個線程能夠獲取mutex并擁有它 
擁有mutex的線程執(zhí)行需訪問臨界資源的特定處理例程 
擁有線程釋放mutex 
其他線程闡述獲取mutex 
重復上述步驟 
銷毀 mutex

mutex變量創(chuàng)建/銷毀函數

pthread_mutex_init(mutex,attr) 
pthread_mutex_destroy(mutex) 
pthread_mutexattr_init(attr) 
pthread_mutexattr_destroy(attr) 
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互斥鎖創(chuàng)建

聲明mutex變量：pthread_mutex_t類型
在使用前必須已經初始化（兩種方式）
靜態(tài)方式
pthread_mutex_t  mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER
動態(tài)方式
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *mutexattr)
返回值
成功返回0
失敗返回錯誤編號
說明
mutex初始時是unlocked（未加鎖的）的
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普通鎖（PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP） 
默認值，當一個線程加鎖后,，其余請求鎖的線程形成一個等待隊列,，并在解鎖后按優(yōu)先級獲得鎖 
嵌套鎖（PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP） 
允許同一個線程對同一個鎖成功獲得多次，并通過多次unlock解鎖 
如果是不同線程請求，則在加鎖線程解鎖時重新競爭 
檢錯鎖（PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP） 
如果同一個線程請求同一個鎖,，則返回EDEADLK,，否則與普通鎖動作相同 
適應鎖（PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP） 
動作最簡單的鎖類型，僅僅等待鎖解鎖后重新競爭

互斥鎖的屬性

用于設置mutex對象屬性
如果使用它,，那么它一定是 pthread_mutexattr_t 類型 (可以設置NULL作為缺省的),。
pthreads標準定義三種可選的mutex屬性 
protocol: 利用特定的協(xié)議來防止mutex優(yōu)先級倒置 
prioceiling: 特定的mutex優(yōu)先級限制 
process-shared: 特定進程共享mutex 
說明
并不是所有的應用提供所有這三種mutex屬性 
屬性操作函數
pthread_mutexattr_init()：創(chuàng)建mutex屬性對象
pthread_mutexattr_destroy()：銷毀mutex屬性對象
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函數原型
int  pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex)
銷毀一個互斥鎖
釋放它鎖占用的資源，且要求鎖當前處于開放狀態(tài)
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互斥鎖操作

加鎖
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
若mutex已被其他線程加鎖,，該調用會阻塞線程直到mutex被解鎖 
嘗試加鎖
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
若mutex已經被加鎖,，該調用會立即返回一個“busy”錯誤碼
利用此調用可以防止在優(yōu)先級倒置所出現的死鎖 
解鎖
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
當擁有mutex的線程使用完保護資源后，應該調用該解鎖mutex,。在下面的情況中,，將返回一個錯誤 
mutex已解鎖
mutex被其他線程加鎖
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條件變量

互斥鎖的缺點 
通過控制存取數據來實現線程同步 
線程需不斷輪詢條件是否滿足（忙等），消耗很多資源 
條件變量 
利用線程間共享的全局變量實現同步 
條件變量使線程睡眠等待特定條件出現（無需輪詢） 
使用方法 
通常條件變量和互斥鎖同時使用 
一個線程因等待“條件變量的條件成立”而掛起 
另一個線程使”條件成立”（給出條件成立信號）

條件變量典型使用步驟

申明和初始化需要同步的全局數據/變量（如count） 
申明和初始化一個條件變量對象 
申明和初始化對應的mutex 
創(chuàng)建若干進程并運行之

條件變量檢測

條件的檢測是在互斥鎖的保護下進行的 
如果條件為假,，一個線程自動阻塞 
如果另一個線程改變了條件,，它發(fā)信號給關聯的條件變量，喚醒一個或多個等待它的線程,，重新獲得互斥鎖,，重新評價條件

pthread_cond_init (condition,attr) 
pthread_cond_destroy(condition) 
pthread_condattr_init(attr) 
pthread_condattr_destroy(attr) 
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條件變量的初始化

聲明條件變量：pthread_cond_t 類型
使用前必須初始化，有兩種方法初始化方法
靜態(tài)方式
pthread_cond_t condition=PTHREAD_COND_INITIALIZER
動態(tài)方式
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr)
被創(chuàng)建的條件變量ID通過 參數返回給調用線程
該方法允許設置條件變量屬性
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條件變量屬性

條件屬性僅僅定義一個屬性：process-shared 
允條件變量可以被其他進程中的線程訪問
如果使用此條件變量屬性,，必須把它定義為pthread_condattr_t 類型（缺省定義為NULL）
說明
并不是所有的實現都提供process-shared屬性
屬性操作函數
pthread_condattr_init()：創(chuàng)建條件變量屬性對象 
pthread_condattr_destroy()：銷毀條件變量屬性對象
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函數原型 
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond); 
銷毀所指定的條件變量,，同時將會釋放所給它分配的資源 
調用該函數的線程并不要求等待在參數所指定的條件變量上

條件變量的等待

函數原型
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex); 
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t mytex, const struct timespec *abstime);
說明
阻塞調用線程，直到滿足特定的條件
當該線程運行時,，會被加鎖,，阻塞時會自動解鎖
當收到信號喚醒線程時，會被線程自動上鎖當線程完成更新共享數據后,，開發(fā)者有責任解鎖 
這里的互斥鎖必須是普通鎖或者適應鎖
調用前必須由本線程加鎖,，激活前要保持鎖是鎖定狀態(tài)
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條件變量的激活

函數原型
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond); 
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
說明
用于通知（喚醒）等待在條件變量上的另一線程
在被加鎖后被調用，在完成pthread_cond_wait()運行后必須解鎖 
二者區(qū)別
pthread_cond_signal()激活一個等待該條件的線程
pthread_cond_broadcast()激活所有等待的線程
如果多于一個線程處于阻塞狀態(tài),，應該用pthread_cond_broadcast()代替pthread_cond_signal()
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條件變量等待與激活使用說明

如果在調用pthread_cond_wait()前先調用pthread_cond_signal(),，將出現邏輯錯誤 
當使用上述函數時，必須正確的加鎖和解鎖
在調用pthread_cond_wait()之前沒有成功加鎖mutex會導致線程不會阻塞 
在調用 pthread_cond_signal()后沒有成功解鎖mutex,，會導致pthread_cond_wait()一直運行 (保持線程阻塞)
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條件變量示例

inc_count(): thread 0, count = 1, unlocking mutex
Starting watch_count(): thread 2
inc_count(): thread 1, count = 2, unlocking mutex
inc_count(): thread 0, count = 3, unlocking mutex
inc_count(): thread 1, count = 4, unlocking mutex
inc_count(): thread 0, count = 5, unlocking mutex
inc_count(): thread 0, count = 6, unlocking mutex
inc_count(): thread 1, count = 7, unlocking mutex
inc_count(): thread 0, count = 8, unlocking mutex
inc_count(): thread 1, count = 9, unlocking mutex
inc_count(): thread 0, count = 10, unlocking mutex
inc_count(): thread 1, count = 11, unlocking mutex
inc_count(): thread 0, count = 12  Threshold reached.
inc_count(): thread 0, count = 12, unlocking mutex
watch_count(): thread 2 Condition signal received.
inc_count(): thread 1, count = 13, unlocking mutex
inc_count(): thread 0, count = 14, unlocking mutex
inc_count(): thread 1, count = 15, unlocking mutex
inc_count(): thread 0, count = 16, unlocking mutex
inc_count(): thread 1, count = 17, unlocking mutex
inc_count(): thread 0, count = 18, unlocking mutex
inc_count(): thread 1, count = 19, unlocking mutex
inc_count(): thread 1, count = 20, unlocking mutex
Main(): Waited on 3  threads. Done.
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生產者/消費者問題

采用多線程技術解決生產者/消費者問題 
也稱有界緩沖區(qū)問題 
多個生產者線程向緩沖區(qū)中寫數據 
多個消費者線程從緩沖區(qū)中讀取數據 
生產者線程和消費者線程必須滿足 
生產者寫入緩沖區(qū)的數目不能超過緩沖區(qū)容量 
消費者讀取的數目不能超過生產者寫入的數目

緩沖區(qū)須被生產者/消費者進程互斥訪問
生產者進程
多個并發(fā)寫進程互斥改變寫指針
寫入條件：緩沖區(qū)非滿
消費者進程
多個并發(fā)讀進程互斥改變讀指針
讀取條件：緩沖區(qū)非空
讀/寫指針設計
初始化時,，讀指針和寫指針均為0
如果讀指針等于寫指針，則緩沖區(qū)為空
如果(寫指針+ 1) % BUFFER_SIZE等于讀指針,，則緩沖區(qū)為滿

緩沖區(qū)結構定義
一個mutex變量：pthread_mutex_t
lock
兩個條件變量： pthread_cond_t 
分別控制緩存空/滿狀態(tài)指示
notempty
notfull
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生產者/消費者進程

1,、調用pthread_mutex_lock()對lock上鎖，并根據以下條件判斷緩沖區(qū)是否已滿,；
(writepos + 1) % BUFSIZE == readpos
2,、若滿,，調用phtread_cond_wait()進入阻塞，等待notfull條件變量,；
3,、寫入數據并移動寫指針writepos；
4,、調用pthread_cond_signal()向消費者信號通過notempty條件變量;
5,、調用pthread_mutex_unlock()對mutex解鎖。
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1,、調用pthread_mutex_lock()對lock上鎖,，并根據以下條件判斷緩沖區(qū)是否為空；
writepos == readpos
2,、若空,，調用ptread_cond_wait()進入阻塞，等待notempty條件變量,；
3,、讀取數據并移動讀指針readpos；
4,、調用pthread_cond_signal()向消費者信號通過notfull條件變量;
5,、調用pthread_mutex_unlock()對mutex解鎖。
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生產者/消費者問題—關鍵函數

線程管理相關函數
int pthread_create( );
int pthread_join();
線程互斥控制相關函數
int pthread_mutex_init();
int pthread_mutex_lock();
int pthread_mutex_unlock();
線程條件變量控制相關函數
int pthread_cond_init();
int pthread_cond_wait();
int pthread_cond_signal();
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理發(fā)師問題

問題描述 
一個理發(fā)店,，只有一個理發(fā)師,，只有n張可供顧客等待理發(fā)的椅子 
理發(fā)師 
如果沒有顧客，則理發(fā)師睡覺 
否則開始理發(fā) 
如果椅子為空,，則繼續(xù)睡覺 
顧客 
如果進入理發(fā)店發(fā)現理發(fā)師在睡覺,，則把他叫醒 
如果發(fā)現理發(fā)師在理發(fā)，且有椅子為空,，則坐下來等待 
如果顧客發(fā)現椅子滿,，則離開