条件变量

条件变量是利用线程间共享全局变量进行同步的一种机制。

条件变量上的基本操作有：

  • 触发条件(当条件变为 true 时)；
  • 等待条件，挂起线程直到其他线程触发条件。

声明

//初始化条件变量　
//尽管POSIX标准中为条件变量定义了属性，但在Linux中没有实现，因此cond_attr值通常为NULL，且被忽略。
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond,pthread_condattr_t *cond_attr);

//无条件等待
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex);

//计时等待
int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex *mutex,const timespec *abstime);
/*
无论哪种等待方式，都必须和一个互斥锁配合，以防止多个线程同时请求（用 pthread_cond_wait() 或 pthread_cond_timedwait() 请求）竞争条件（Race Condition）。
mutex互斥锁必须是普通锁（PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP）或者适应锁（PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP），
且在调用pthread_cond_wait()前必须由本线程加锁（pthread_mutex_lock()），
而在更新条件等待队列以前，mutex保持锁定状态，并在线程挂起进入等待前解锁。
在条件满足从而离开pthread_cond_wait()之前，mutex将被重新加锁，以与进入pthread_cond_wait()前的加锁动作对应。
*/

//激活一个等待该条件的线程（存在多个等待线程时按入队顺序激活其中一个
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

//激活所有等待线程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

//销毁条件变量
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

说明：

  • pthread_cond_wait
    • 自动解锁互斥量(如同执行了pthread_unlock_mutex)，并等待条件变量触发。
    • 这时线程挂起，不占用CPU时间，直到条件变量被触发（变量为ture）。
    • 在调用 pthread_cond_wait之前，应用程序必须加锁互斥量。
    • pthread_cond_wait函数返回前，自动重新对互斥量加锁(如同执行了pthread_lock_mutex)。
    • 就是说 使用这个函数会自动解锁 ，在满足条件的时候自动加锁
  • 互斥量的解锁和在条件变量上挂起都是自动进行的。
    • 因此，在条件变量被触发前，如果所有的线程都要对互斥量加锁，这种机制可保证在线程加锁互斥量和进入等待条件变量期间，条件变量不被触发。
    • 条件变量要和互斥量相联结，以避免出现条件竞争——个线程预备等待一个条件变量，当它在真正进入等待之前，另一个线程恰好触发了该条件（条件满足信号有可能在测试条件和调用pthread_cond_wait函数（block）之间被发出，从而造成无限制的等待）。
  • 条件变量函数不是异步信号安全的，不应当在信号处理程序中进行调用。
    • 特别要注意，如果在信号处理程序中调用 pthread_cond_signal 或 pthread_cond_boardcast 函数，可能导致调用线程死锁

例子

#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"

static pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
static pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

struct node
{
    int n_number;
    struct node *n_next;
}*head = NULL;

static void cleanup_handler(void *arg)
{
    printf("Cleanup handler of second thread.\n");
    free(arg);
    (void)pthread_mutex_unlock(&mtx);
}

static void *thread_func(void *arg)
{
    struct node *p = NULL;
    pthread_cleanup_push(cleanup_handler, p);

    while (1) {
        // 这个mutex主要是用来保证pthread_cond_wait的并发性。
        pthread_mutex_lock(&mtx);
        while (head == NULL) {
            /* 这个while要特别说明一下，单个pthread_cond_wait功能很完善，为何
            * 这里要有一个while (head == NULL)呢？因为pthread_cond_wait里的线
            * 程可能会被意外唤醒，如果这个时候head != NULL，则不是我们想要的情况。
            * 这个时候，应该让线程继续进入pthread_cond_wait
            * pthread_cond_wait会先解除之前的pthread_mutex_lock锁定的mtx，
            * 然后阻塞在等待对列里休眠，直到再次被唤醒（大多数情况下是等待的条件成立
            * 而被唤醒，唤醒后，该进程会先锁定先pthread_mutex_lock(&mtx);，再读取资源
            * 用这个流程是比较清楚的。*/

            pthread_cond_wait(&cond, &mtx);
            p = head;
            head = head->n_next;
            printf("Got %d from front of queue\n", p->n_number);
            free(p);
        }
        pthread_mutex_unlock(&mtx); // 临界区数据操作完毕，释放互斥锁。
    }
    pthread_cleanup_pop(0);
    return 0;
}

int main(void)
{
    pthread_t tid;
    int i;
    struct node *p;

    /* 子线程会一直等待资源，类似生产者和消费者，但是这里的消费者可以是多个消费者，
    * 而不仅仅支持普通的单个消费者，这个模型虽然简单，但是很强大。*/
    pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
    sleep(1);
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        p = (struct node*)malloc(sizeof(struct node));
        p->n_number = i;
        pthread_mutex_lock(&mtx); // 需要操作head这个临界资源，先加锁。
        p->n_next = head;
        head = p;
        pthread_cond_signal(&cond);
        pthread_mutex_unlock(&mtx); //解锁

        sleep(1);
    }

    printf("thread 1 wanna end the line.So cancel thread 2.\n");

    /* 关于pthread_cancel，有一点额外的说明，它是从外部终止子线程，子线程会在最近的取消点，
    * 退出线程，而在我们的代码里，最近的取消点肯定就是pthread_cond_wait()了。*/

    pthread_cancel(tid);
    pthread_join(tid, NULL);

    printf("All done -- exiting\n");
    return 0;
}