线程同步与条件变量

再论生产消费者问题

问题

如果缓冲池为空，如何定义消费者的行为?

一种可能的解决方案

这种方案是可行的，但是如果生产者一直不生产，那么消费者会反复查看产品的数量为 0 并休眠，这样会浪费 cpu 的资源，并且生产者生产后，消费者并不能马上从休眠状态中被唤醒去取走产品，这种方案的效率并不高

需求:

消费者发现缓冲池为空的时候，主动让出互斥量，并进入等待状态

当缓冲池非空，即: 生产者更新缓冲池状态, 消费者再次竞争锁

关键:

消费者不需要反复多次竞争锁 (缓冲池为空, 直接等待)

生产者可通知消费者再次竞争锁 (生产者与消费者协同机制)

Linux 中的条件变量

条件变量的注意事项

条件变量之间不能相互初始化，也不能相互赋值 (行为未定义)

使用 pthread_cond_init() 初始化的条件变量，必须被销毁，且可以重新初始化

使用 PTHREAD_COND_INITIALIZER 初始化的条件变量不需要销毁

不能使用 未初始化 / 已销毁 的条件变量 (行为未定义)

pthread_cond_wait() 只能由拥有互斥量的线程调用

条件变量的使用

条件变量初体验

test1.c

#define _GNU_SOURCE     /* To get pthread_getattr_np() declaration */
#define _XOPEN_SOURCE >= 500 || _POSIX_C_SOURCE >= 200809L
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <memory.h>
#include <time.h>


int g_count = 0;
pthread_mutex_t g_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t g_cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

void* customer_thread(void* arg)
{     
    while( 1 )
    {
        pthread_mutex_lock(&g_mutex);
        
        if( g_count > 0 )
            printf("%s : %d\n", __FUNCTION__, --g_count);        
        else
            pthread_cond_wait(&g_cond, &g_mutex); // g_cond points to the queue, g_mutex needs to be unlocked
            
        pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
        
        usleep(500 * 1000);
    }
        
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t t = 0;  
    int pre = 0;

    pthread_create(&t, NULL, customer_thread, NULL);
    
    printf("Hello World!\n");
    
    while( 1 )
    {
        pthread_mutex_lock(&g_mutex);
        
        pre = g_count;
        
        printf("%s : %d\n", __FUNCTION__, ++g_count);  
        
        if( pre == 0 )
        {
            printf("%s : %s\n", __FUNCTION__, "signal customer to get product...");
            pthread_cond_signal(&g_cond);
        }
        
        pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
        
        usleep(2000 * 1000); 
    }
    
    printf("End!\n");
  
    return 0;
}

主线程为生产者，负责生产产品；子线程 customer_thread 为消费者，负责取走产品

第 24 行，如果消费者发现没有产品，则调用 pthread_cond_wait(&g_cond, &g_mutex) 阻塞在 g_cond 这个条件变量上，并释放已获取到的互斥锁 g_mutex

第 54 行，如果生产者生产了产品后发现上一次的产品没了，则调用 pthread_cond_signal(&g_cond)，来唤醒阻塞在 g_cond 这个条件变量上的单个消费者线程来取产品，这样原先阻塞在 g_cond 这个条件变量上的某个线程就会被唤醒，重新抢夺互斥锁，取走产品，然后释放互斥锁

程序运行结果如下图所示：

进阶条件变量

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t* cond);

  • 唤起一个等待目标条件变量的线程

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond* cond);

  • 唤起所有等待目标条件变量的线程

一个生产者 vs 多个消费者

存在的问题

解决方案

条件变量深度实验

test2.c

#define _GNU_SOURCE     /* To get pthread_getattr_np() declaration */
#define _XOPEN_SOURCE >= 500 || _POSIX_C_SOURCE >= 200809L
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <memory.h>
#include <time.h>


int g_count = 0;
pthread_cond_t g_cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t g_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void* customer_thread(void* arg)
{   
    int i = (long)arg;  
    
    // prepare to get product
    {
        pthread_mutex_lock(&g_mutex);
        
        if( g_count == 0 )
        // while( g_count == 0 )
            pthread_cond_wait(&g_cond, &g_mutex);
            
        // get product from buffer
        printf("customer %d : %d\n", i, g_count);
        
        g_count--;
            
        pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
    }
        
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t t[10] = {0};
    int len = sizeof(t)/sizeof(*t);
    long i = 0;

    for(i=0; i<len; i++)
    {
        pthread_create(&t[i], NULL, customer_thread, (void*)i);
    }
    
    printf("Hello World!\n");
    
    sleep(1);
    
    {
    
        // prepare to make product
        pthread_mutex_lock(&g_mutex);
        
        int v = g_count;  
        
        g_count += 10;
        
        if( v == 0 )
            pthread_cond_signal(&g_cond); 
            // pthread_cond_broadcast(&g_cond);
        
        pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
    }
    
    for(i=0; i<len; i++)
    {
        pthread_join(t[i], NULL);
    }
    
    printf("End!\n");
  
    return 0;
}

第 46 行，主线程创建 10 个消费者线程 customer_thread，随后主线程休眠 1s，由于产品数量为 0，10 个消费者线程会阻塞在 g_cond 这个条件变量上

第 63 行，主线程生产了 10 个产品后，通过 pthread_cond_signal 来通知阻塞在 g_cond 这个条件变量上的单个线程，这样就会导致 10 个被阻塞的线程只有 1 个线程被唤醒，取走产品，其他线程依旧被阻塞

程序运行结果如下图所示：

pthread_cond_signal(cond) 函数只会唤醒单个阻塞在 cond 条件变量上的单个线程，我们将这个函数替换为 pthread_cond_broadcast(cond)，而这个函数会唤醒所有阻塞在 cond 条件变量上的所有线程，这样 10 个消费者线程都会被唤醒，然后取走产品

替换后的程序

test2.c

#define _GNU_SOURCE     /* To get pthread_getattr_np() declaration */
#define _XOPEN_SOURCE >= 500 || _POSIX_C_SOURCE >= 200809L
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <memory.h>
#include <time.h>


int g_count = 0;
pthread_cond_t g_cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t g_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void* customer_thread(void* arg)
{   
    int i = (long)arg;  
    
    // prepare to get product
    {
        pthread_mutex_lock(&g_mutex);
        
        if( g_count == 0 )
        // while( g_count == 0 )
            pthread_cond_wait(&g_cond, &g_mutex);
            
        // get product from buffer
        printf("customer %d : %d\n", i, g_count);
        
        g_count--;
            
        pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
    }
        
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t t[10] = {0};
    int len = sizeof(t)/sizeof(*t);
    long i = 0;

    for(i=0; i<len; i++)
    {
        pthread_create(&t[i], NULL, customer_thread, (void*)i);
    }
    
    printf("Hello World!\n");
    
    sleep(1);
    
    {
    
        // prepare to make product
        pthread_mutex_lock(&g_mutex);
        
        int v = g_count;  
        
        g_count += 10;
        
        if( v == 0 )
            // pthread_cond_signal(&g_cond); 
            pthread_cond_broadcast(&g_cond);
        
        pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
    }
    
    for(i=0; i<len; i++)
    {
        pthread_join(t[i], NULL);
    }
    
    printf("End!\n");
  
    return 0;
}

程序运行结果如下图所示：

pthread_cond_broadcast() 使得 10 个消费者线程都被唤醒

test3.c

#define _GNU_SOURCE     /* To get pthread_getattr_np() declaration */
#define _XOPEN_SOURCE >= 500 || _POSIX_C_SOURCE >= 200809L
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <memory.h>
#include <time.h>


int g_count = 0;
pthread_cond_t g_cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t g_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void* customer_thread(void* arg)
{   
    int i = (long)arg;  
    
    // prepare to get product
    {
        pthread_mutex_lock(&g_mutex);
        
        if( g_count == 0 )
        // while( g_count == 0 )
            pthread_cond_wait(&g_cond, &g_mutex);
            
        // get product from buffer
        printf("customer %d : %d\n", i, g_count);
        
        g_count--;
            
        pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
    }
        
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t t[10] = {0};
    int len = sizeof(t)/sizeof(*t);
    long i = 0;

    for(i=0; i<len; i++)
    {
        pthread_create(&t[i], NULL, customer_thread, (void*)i);
    }
    
    printf("Hello World!\n");
    
    sleep(1);
    
    {
    
        // prepare to make product
        pthread_mutex_lock(&g_mutex);
        
        int v = g_count;  
        
        g_count += 5;
        
        if( v == 0 )
            pthread_cond_broadcast(&g_cond);
        
        pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
    }
    
    for(i=0; i<len; i++)
    {
        pthread_join(t[i], NULL);
    }
    
    printf("End!\n");
  
    return 0;
}

生产者为 1 个，消费者为 10 个，生产者一次生产 5 个产品

首先，10 个生产者会阻塞在 g_cond 这个条件变量上，生产者生产了 5 个产品后，调用 pthread_cond_broadcast()，唤醒了阻塞在 g_cond 这个条件变量上的 10 个消费者线程，但是消费者线程被唤醒后没有再次进行产品数量判断，而是直接取走了产品，这样就会出现问题

程序运行结果如下图所示：

产品数量出现了负数，我们将 23 行的 if 改为 while 即可解决这个问题

替换后的程序

test3.c

#define _GNU_SOURCE     /* To get pthread_getattr_np() declaration */
#define _XOPEN_SOURCE >= 500 || _POSIX_C_SOURCE >= 200809L
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <memory.h>
#include <time.h>


int g_count = 0;
pthread_cond_t g_cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t g_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void* customer_thread(void* arg)
{   
    int i = (long)arg;  
    
    // prepare to get product
    {
        pthread_mutex_lock(&g_mutex);
        
        while( g_count == 0 )
            pthread_cond_wait(&g_cond, &g_mutex);
            
        // get product from buffer
        printf("customer %d : %d\n", i, g_count);
        
        g_count--;
            
        pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
    }
        
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t t[10] = {0};
    int len = sizeof(t)/sizeof(*t);
    long i = 0;

    for(i=0; i<len; i++)
    {
        pthread_create(&t[i], NULL, customer_thread, (void*)i);
    }
    
    printf("Hello World!\n");
    
    sleep(1);
    
    {
    
        // prepare to make product
        pthread_mutex_lock(&g_mutex);
        
        int v = g_count;  
        
        g_count += 5;
        
        if( v == 0 )
            pthread_cond_broadcast(&g_cond);
        
        pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
    }
    
    for(i=0; i<len; i++)
    {
        pthread_join(t[i], NULL);
    }
    
    printf("End!\n");
  
    return 0;
}

 程序运行结果如下图所示：

只有 5 个消费者线程取走了产品

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