Linux作業系統下的多執行緒程式設計詳細解析----條件變數pthread_cond_t
在多執行緒程式設計下,常常出現A執行緒要等待B執行緒條件完成後再繼續進行,這裡等待方式有兩種:
1.使用鎖+輪詢
使用這種方法可以很簡單的實現,但是會有一定的效能消耗,其還有一個點要好好把握,就是一次輪詢沒有結果後相隔多久進行下一次的輪詢,間隔時間太短,消耗的CPU資源較多,間隔時間太長,不能很及時的響應請求。
所以這種方法不是推薦。
2.使用條件變數的執行緒同步(推薦)
採用阻塞和訊息方式可以極大程度上減少資源的浪費以及增加實時性
執行緒條件變數pthread_cond_t
執行緒等待某個條件
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex,const struct timespec *restrict abstime);
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex);
通知函式
通知所有的執行緒
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
只通知一個執行緒
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
1.初始化條件變數pthread_cond_init
#include <pthread.h> int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cv, const pthread_condattr_t *cattr); 返回值:函式成功返回0;任何其他返回值都表示錯誤
初始化一個條件變數。當引數cattr為空指標時,函式建立的是一個預設的條件變數。否則條件變數的屬性將由cattr中的屬性值來決定。呼叫 pthread_cond_init函式時,引數cattr為空指標等價於cattr中的屬性為預設屬性,只是前者不需要cattr所佔用的記憶體開銷。這個函式返回時,條件變數被存放在引數cv指向的記憶體中。
可以用巨集PTHREAD_COND_INITIALIZER來初始化靜態定義的條件變數,使其具有預設屬性。這和用pthread_cond_init函式動態分配的效果是一樣的。初始化時不進行錯誤檢查。如:
pthread_cond_t cv = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
不能由多個執行緒同時初始化一個條件變數。當需要重新初始化或釋放一個條件變數時,應用程式必須保證這個條件變數未被使用。
2.阻塞在條件變數上pthread_cond_wait
#include <pthread.h> int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cv, pthread_mutex_t *mutex); 返回值:函式成功返回0;任何其他返回值都表示錯誤
函式將解鎖mutex引數指向的互斥鎖,並使當前執行緒阻塞在cv引數指向的條件變數上。
被阻塞的執行緒可以被pthread_cond_signal函式,pthread_cond_broadcast函式喚醒,也可能在被訊號中斷後被喚醒。
pthread_cond_wait函式的返回並不意味著條件的值一定發生了變化,必須重新檢查條件的值。
pthread_cond_wait函式返回時,相應的互斥鎖將被當前執行緒鎖定,即使是函數出錯返回。
一般一個條件表示式都是在一個互斥鎖的保護下被檢查。當條件表示式未被滿足時,執行緒將仍然阻塞在這個條件變數上。當另一個執行緒改變了條件的值並向條件變數發出訊號時,等待在這個條件變數上的一個執行緒或所有執行緒被喚醒,接著都試圖再次佔有相應的互斥鎖。
阻塞在條件變數上的執行緒被喚醒以後,直到pthread_cond_wait()函式返回之前條件的值都有可能發生變化。所以函式返回以後,在鎖定相應的互斥鎖之前,必須重新測試條件值。最好的測試方法是迴圈呼叫pthread_cond_wait函式,並把滿足條件的表示式置為迴圈的終止條件。如:
pthread_mutex_lock(); while (condition_is_false) pthread_cond_wait(); pthread_mutex_unlock();
阻塞在同一個條件變數上的不同執行緒被釋放的次序是不一定的。
注意:pthread_cond_wait()函式是退出點,如果在呼叫這個函式時,已有一個掛起的退出請求,且執行緒允許退出,這個執行緒將被終止並開始執行善後處理函式,而這時和條件變數相關的互斥鎖仍將處在鎖定狀態。
3.解除在條件變數上的阻塞pthread_cond_signal
#include <pthread.h> int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cv); 返回值:函式成功返回0;任何其他返回值都表示錯誤
函式被用來釋放被阻塞在指定條件變數上的一個執行緒。
必須在互斥鎖的保護下使用相應的條件變數。否則對條件變數的解鎖有可能發生在鎖定條件變數之前,從而造成死鎖。
喚醒阻塞在條件變數上的所有執行緒的順序由排程策略決定,如果執行緒的排程策略是SCHED_OTHER型別的,系統將根據執行緒的優先順序喚醒執行緒。
如果沒有執行緒被阻塞在條件變數上,那麼呼叫pthread_cond_signal()將沒有作用。
4.阻塞直到指定時間pthread_cond_timedwait
#include <pthread.h> #include <time.h> int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cv, pthread_mutex_t *mp, const structtimespec * abstime); 返回值:函式成功返回0;任何其他返回值都表示錯誤
函式到了一定的時間,即使條件未發生也會解除阻塞。這個時間由引數abstime指定。函式返回時,相應的互斥鎖往往是鎖定的,即使是函數出錯返回。
注意:pthread_cond_timedwait函式也是退出點。
超時時間引數是指一天中的某個時刻。使用舉例:
pthread_timestruc_t to; to.tv_sec = time(NULL) + TIMEOUT; to.tv_nsec = 0;
超時返回的錯誤碼是ETIMEDOUT。
5.釋放阻塞的所有執行緒pthread_cond_broadcast
#include <pthread.h> int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cv); 返回值:函式成功返回0;任何其他返回值都表示錯誤
函式喚醒所有被pthread_cond_wait函式阻塞在某個條件變數上的執行緒,引數cv被用來指定這個條件變數。當沒有執行緒阻塞在這個條件變數上時,pthread_cond_broadcast函式無效。
由於pthread_cond_broadcast函式喚醒所有阻塞在某個條件變數上的執行緒,這些執行緒被喚醒後將再次競爭相應的互斥鎖,所以必須小心使用pthread_cond_broadcast函式。
6.釋放條件變數pthread_cond_destroy
#include <pthread.h> int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cv); 返回值:函式成功返回0;任何其他返回值都表示錯誤
釋放條件變數。
注意:條件變數佔用的空間並未被釋放。
7.喚醒丟失問題
線上程未獲得相應的互斥鎖時呼叫pthread_cond_signal或pthread_cond_broadcast函式可能會引起喚醒丟失問題。
喚醒丟失往往會在下面的情況下發生:
- 一個執行緒呼叫pthread_cond_signal或pthread_cond_broadcast函式;
- 另一個執行緒正處在測試條件變數和呼叫pthread_cond_wait函式之間;
- 沒有執行緒正在處在阻塞等待的狀態下。