Linux线程间同步（二）

4. 读写锁

4.1 读写锁函数

读写锁是互斥锁的升级版, 在做读操作的时候可以提高程序的执行效率，如果所有的线程都是做读操作, 那么读是并行的，但是使用互斥锁，读操作也是串行的。
读写锁是一把锁，锁的类型为pthread_rwlock_t，有了类型之后就可以创建一把互斥锁了：

pthread_rwlock_t rwlock;

之所以称其为读写锁，是因为这把锁既可以锁定读操作，也可以锁定写操作。为了方便理解，可以大致认为在这把锁中记录了这些信息：

• 锁的状态: 锁定/打开
• 锁定的是什么操作: 读操作/写操作，使用读写锁锁定了读操作，需要先解锁才能去锁定写操作，反之亦然。
• 哪个线程将这把锁锁上了

读写锁的使用方式也互斥锁的使用方式是完全相同的：找共享资源, 确定临界区，在临界区的开始位置加锁（读锁/写锁），临界区的结束位置解锁。
因为通过一把读写锁可以锁定读或者写操作，下面介绍一下关于读写锁的特点：
1.使用读写锁的读锁锁定了临界区，线程对临界区的访问是并行的，读锁是共享的。
2.使用读写锁的写锁锁定了临界区，线程对临界区的访问是串行的，写锁是独占的。
3.使用读写锁分别对两个临界区加了读锁和写锁，两个线程要同时访问者两个临界区，访问写锁临界区的线程继续运行，访问读锁临界区的线程阻塞，因为写锁比读锁的优先级高。

如果说程序中所有的线程都对共享资源做写操作，使用读写锁没有优势，和互斥锁是一样的，如果说程序中所有的线程都对共享资源有写也有读操作，并且对共享资源读的操作越多，读写锁更有优势。

Linux提供的读写锁操作函数原型如下，如果函数调用成功返回0，失败返回对应的错误号：

#include <pthread.h>
pthread_rwlock_t rwlock;
// 初始化读写锁
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,
           const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);
// 释放读写锁占用的系统资源
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

参数:

• rwlock: 读写锁的地址，传出参数
• attr: 读写锁属性，一般使用默认属性，指定为NULL
  // 在程序中对读写锁加读锁, 锁定的是读操作

int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

调用这个函数，如果读写锁是打开的，那么加锁成功；如果读写锁已经锁定了读操作，调用这个函数依然可以加锁成功，因为读锁是共享的；如果读写锁已经锁定了写操作，调用这个函数的线程会被阻塞。

// 这个函数可以有效的避免死锁
// 如果加读锁失败, 不会阻塞当前线程, 直接返回错误号
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

调用这个函数，如果读写锁是打开的，那么加锁成功；如果读写锁已经锁定了读操作，调用这个函数依然可以加锁成功，因为读锁是共享的；如果读写锁已经锁定了写操作，调用这个函数加锁失败，对应的线程不会被阻塞，可以在程序中对函数返回值进行判断，添加加锁失败之后的处理动作。

// 在程序中对读写锁加写锁, 锁定的是写操作
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

调用这个函数，如果读写锁是打开的，那么加锁成功；如果读写锁已经锁定了读操作或者锁定了写操作，调用这个函数的线程会被阻塞。

// 这个函数可以有效的避免死锁
// 如果加写锁失败, 不会阻塞当前线程, 直接返回错误号
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

调用这个函数，如果读写锁是打开的，那么加锁成功；如果读写锁已经锁定了读操作或者锁定了写操作，调用这个函数加锁失败，但是线程不会阻塞，可以在程序中对函数返回值进行判断，添加加锁失败之后的处理动作。

// 解锁, 不管锁定了读还是写都可用解锁
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

4.2 读写锁使用

题目要求：8个线程操作同一个全局变量，3个线程不定时写同一全局资源，5个线程不定时读同一全局资源。

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

// 全局变量
int number = 0;

// 定义读写锁
pthread_rwlock_t rwlock;

// 写的线程的处理函数
void* writeNum(void* arg)
{
    
    
    while(1)
    {
    
    
        pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
        int cur = number;
        cur ++;
        number = cur;
        printf("++写操作完毕, number : %d, tid = %ld\n", number, pthread_self());
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        // 添加sleep目的是要看到多个线程交替工作
        usleep(rand() % 100);
    }

    return NULL;
}

// 读线程的处理函数
// 多个线程可以如果处理动作相同, 可以使用相同的处理函数
// 每个线程中的栈资源是独享
void* readNum(void* arg)
{
    
    
    while(1)
    {
    
    
        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
        printf("--全局变量number = %d, tid = %ld\n", number, pthread_self());
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        usleep(rand() % 100);
    }
    return NULL;
}

int main()
{
    
    
    // 初始化读写锁
    pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);

    // 3个写线程, 5个读的线程
    pthread_t wtid[3];
    pthread_t rtid[5];
    for(int i=0; i<3; ++i)
    {
    
    
        pthread_create(&wtid[i], NULL, writeNum, NULL);
    }

    for(int i=0; i<5; ++i)
    {
    
    
        pthread_create(&rtid[i], NULL, readNum, NULL);
    }

    // 释放资源
    for(int i=0; i<3; ++i)
    {
    
    
        pthread_join(wtid[i], NULL);
    }

    for(int i=0; i<5; ++i)
    {
    
    
        pthread_join(rtid[i], NULL);
    }

    // 销毁读写锁
    pthread_rwlock_destroy(&rwlock);

    return 0;
}

5. 条件变量

5.1 条件变量函数

严格意义上来说，条件变量的主要作用不是处理线程同步, 而是进行线程的阻塞。如果在多线程程序中只使用条件变量无法实现线程的同步, 必须要配合互斥锁来使用。虽然条件变量和互斥锁都能阻塞线程，但是二者的效果是不一样的，二者的区别如下：

• 假设有A-Z 26个线程，这26个线程共同访问同一把互斥锁，如果线程A加锁成功，那么其余B-Z线程访问互斥锁都阻塞，所有的线程只能顺序访问临界区
• 条件变量只有在满足指定条件下才会阻塞线程，如果条件不满足，多个线程可以同时进入临界区，同时读写临界资源，这种情况下还是会出现共享资源中数据的混乱。
  一般情况下条件变量用于处理生产者和消费者模型，并且和互斥锁配合使用。条件变量类型对应的类型为pthread_cond_t，这样就可以定义一个条件变量类型的变量了：

pthread_cond_t cond;

被条件变量阻塞的线程的线程信息会被记录到这个变量中，以便在解除阻塞的时候使用。

条件变量操作函数函数原型如下：

#include <pthread.h>
pthread_cond_t cond;
// 初始化
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,
      const pthread_condattr_t *restrict attr);
// 销毁释放资源        
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

参数:
*cond: 条件变量的地址

• attr: 条件变量属性, 一般使用默认属性, 指定为NULL

// 线程阻塞函数, 哪个线程调用这个函数, 哪个线程就会被阻塞
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);

通过函数原型可以看出，该函数在阻塞线程的时候，需要一个互斥锁参数，这个互斥锁主要功能是进行线程同步，让线程顺序进入临界区，避免出现数共享资源的数据混乱。该函数会对这个互斥锁做以下几件事情：

• 1.在阻塞线程时候，如果线程已经对互斥锁mutex上锁，那么会将这把锁打开，这样做是为了避免死锁
• 2.当线程解除阻塞的时候，函数内部会帮助这个线程再次将这个mutex互斥锁锁上，继续向下访问临界区

// 表示的时间是从1971.1.1到某个时间点的时间, 总长度使用秒/纳秒表示
struct timespec {
    
    
	time_t tv_sec;      /* Seconds */
	long   tv_nsec;     /* Nanoseconds [0 .. 999999999] */
};
// 将线程阻塞一定的时间长度, 时间到达之后, 线程就解除阻塞了
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,
           pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime);

这个函数的前两个参数和pthread_cond_wait函数是一样的，第三个参数表示线程阻塞的时长，但是需要额外注意一点：struct timespec这个结构体中记录的时间是从1971.1.1到某个时间点的时间，总长度使用秒/纳秒表示。因此赋值方式相对要麻烦一点：

time_t mytim = time(NULL);	// 1970.1.1 0:0:0 到当前的总秒数
struct timespec tmsp;
tmsp.tv_nsec = 0;
tmsp.tv_sec = time(NULL) + 100;	// 线程阻塞100s

// 唤醒阻塞在条件变量上的线程, 至少有一个被解除阻塞
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
// 唤醒阻塞在条件变量上的线程, 被阻塞的线程全部解除阻塞
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

调用上面两个函数中的任意一个，都可以换线被pthread_cond_wait或者pthread_cond_timedwait阻塞的线程，区别就在于pthread_cond_signal是唤醒至少一个被阻塞的线程（总个数不定），pthread_cond_broadcast是唤醒所有被阻塞的线程。

5.2 生产者和消费者

生产者和消费者模型的组成：

1.生产者线程 -> 若干个

• 生产商品或者任务放入到任务队列中
• 任务队列满了就阻塞, 不满的时候就工作
• 通过一个生产者的条件变量控制生产者线程阻塞和非阻塞
  2.消费者线程 -> 若干个
• 读任务队列, 将任务或者数据取出
• 任务队列中有数据就消费，没有数据就阻塞
• 通过一个消费者的条件变量控制消费者线程阻塞和非阻塞
  3.队列 -> 存储任务/数据，对应一块内存，为了读写访问可以通过一个数据结构维护这块内存
• 可以是数组、链表，也可以使用stl容器：queue / stack / list / vector

场景描述：使用条件变量实现生产者和消费者模型，生产者有5个，往链表头部添加节点，消费者也有5个，删除链表头部的节点。

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

// 链表的节点
struct Node
{
    
    
    int number;
    struct Node* next;
};

// 定义条件变量, 控制消费者线程
pthread_cond_t cond;
// 互斥锁变量
pthread_mutex_t mutex;
// 指向头结点的指针
struct Node * head = NULL;

// 生产者的回调函数
void* producer(void* arg)
{
    
    
    // 一直生产
    while(1)
    {
    
    
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        // 创建一个链表的新节点
        struct Node* pnew = (struct Node*)malloc(sizeof(struct Node));
        // 节点初始化
        pnew->number = rand() % 1000;
        // 节点的连接, 添加到链表的头部, 新节点就新的头结点
        pnew->next = head;
        // head指针前移
        head = pnew;
        printf("+++producer, number = %d, tid = %ld\n", pnew->number, pthread_self());
        pthread_mutex_unlock(&mutex);

        // 生产了任务, 通知消费者消费
        pthread_cond_broadcast(&cond);

        // 生产慢一点
        sleep(rand() % 3);
    }
    return NULL;
}

// 消费者的回调函数
void* consumer(void* arg)
{
    
    
    while(1)
    {
    
    
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        // 一直消费, 删除链表中的一个节点
//        if(head == NULL)   // 这样写有bug
        while(head == NULL)
        {
    
    
            // 任务队列, 也就是链表中已经没有节点可以消费了
            // 消费者线程需要阻塞
            // 线程加互斥锁成功, 但是线程阻塞在这行代码上, 锁还没解开
            // 其他线程在访问这把锁的时候也会阻塞, 生产者也会阻塞 ==> 死锁
            // 这函数会自动将线程拥有的锁解开
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
            // 当消费者线程解除阻塞之后, 会自动将这把锁锁上
            // 这时候当前这个线程又重新拥有了这把互斥锁
        }
        // 取出链表的头结点, 将其删除
        struct Node* pnode = head;
        printf("--consumer: number: %d, tid = %ld\n", pnode->number, pthread_self());
        head  = pnode->next;
        free(pnode);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);        

        sleep(rand() % 3);
    }
    return NULL;
}

int main()
{
    
    
    // 初始化条件变量
    pthread_cond_init(&cond, NULL);
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    // 创建5个生产者, 5个消费者
    pthread_t ptid[5];
    pthread_t ctid[5];
    for(int i=0; i<5; ++i)
    {
    
    
        pthread_create(&ptid[i], NULL, producer, NULL);
    }

    for(int i=0; i<5; ++i)
    {
    
    
        pthread_create(&ctid[i], NULL, consumer, NULL);
    }

    // 释放资源
    for(int i=0; i<5; ++i)
    {
    
    
        // 阻塞等待子线程退出
        pthread_join(ptid[i], NULL);
    }

    for(int i=0; i<5; ++i)
    {
    
    
        pthread_join(ctid[i], NULL);
    }

    // 销毁条件变量
    pthread_cond_destroy(&cond);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    return 0;
}

void* consumer(void* arg)
{
    
    
    while(1)
    {
    
    
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        // 一直消费, 删除链表中的一个节点
        if(head == NULL)   // 这样写有bug
        {
    
    
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
        }
        // 取出链表的头结点, 将其删除
        struct Node* pnode = head;
        printf("--consumer: number: %d, tid = %ld\n", pnode->number, pthread_self());
        head  = pnode->next;
        free(pnode);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);        

        sleep(rand() % 3);
    }
    return NULL;
}

/*
为什么在第7行使用if 有bug:
    当任务队列为空, 所有的消费者线程都会被这个函数阻塞 pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
    也就是阻塞在代码的第9行
	
    当生产者生产了1个节点, 调用 pthread_cond_broadcast(&cond); 唤醒了所有阻塞的线程
      - 有一个消费者线程通过 pthread_cond_wait()加锁成功, 其余没有加锁成功的线程继续阻塞
      - 加锁成功的线程向下运行, 并成功删除一个节点, 然后解锁
      - 没有加锁成功的线程解除阻塞继续抢这把锁, 另外一个子线程加锁成功
      - 但是这个线程删除链表节点的时候链表已经为空了, 后边访问这个空节点的时候就会出现段错误
    解决方案:
      - 需要循环的对链表是否为空进行判断, 需要将if 该成 while
*/