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多任务互斥与同步

时间：2023-09-15 09:11:21浏览次数：31  
标签：同步 int 信号量 互斥 mutex pthread sem 多任务

多任务互斥与同步

1. 互斥和同步概述

同步和互斥是用于解决如下两个问题：

1）在多任务操作系统中，同时运行的多个任务可能都需要访问/使用同一种资源。

2）多个任务之间有依赖关系，某个任务的运行依赖于另一个任务

互斥：

  • 一个公共资源同一时刻只能被一个进程或线程使用，多个进程或线程不能同时使用公共资源

  • POSIX标准中进程和线程同步和互斥的方法，主要有信号量好互斥锁两种方式

同步：

两个或两个以上的进程或线程在运行过程中协同步调，按预定的先后次序运行。

【注】同步是特殊的互斥

2. 互斥锁

2.1 互斥锁的概念

用于线程的互斥

mutex互斥锁是一种简单的加锁的方法来控制对共享资源的访问

互斥锁只有两种状态，即加锁(lock)和解锁(unlock)

互斥锁的操作流程如下

1）在访问共享资源前，对互斥锁进行加锁

2）在访问完成后释放互斥锁

3）对互斥锁进行加锁后，任何其他试图再次对互斥锁加锁的线程将会被阻塞，直到锁被释放

2.2 初始化互斥锁

不管多少个任务，如果是完成互斥，只需要一把锁

mutex用pthread_mutex_t数据类型表示，在使用互斥锁前，必须先对它进行初始化

2.2.1 静态初始化

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

2.2.2 动态初始化

#include <pthread.h>
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,const pthread_mutexattr_t *attr);

参数：

  • mutex：互斥锁地址。类型是pthread_mutex_t
  • attr：设置互斥量的属性，通常可采用默认属性，即可将attr设为NULL

返回值：成功返回0，失败返回非0

2.3 互斥锁上锁

对互斥锁上锁，若已经上锁，则调用者一直阻塞到互斥锁解锁【阻塞的】

#include <pthread.h>
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

返回值：成功返回0，失败返回非0

2.4 互斥锁上锁2

对互斥锁上锁，若已经上锁，则上锁失败，函数立即返回。【非阻塞的】

#include <pthread.h>
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

返回值：成功返回0，失败返回非0

2.5 互斥锁解锁

对指定的互斥锁解锁

#include <pthread.h>
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

返回值：成功返回0，失败返回非0

2.6 销毁互斥锁

销毁指定的一个互斥锁

#include <pthread.h>
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

返回值：成功返回0，失败返回非0

2.7 死锁

image-20230913134651879

如：两个锁使用错误，导致死锁

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

pthread_mutex_t mutex1,mutex2;
void *task1(void *data)
{
    char *taskName = (char *)data;
    pthread_mutex_lock(&mutex1);
    printf("%s 获取锁1成功，等待1秒之后获取锁2\n",taskName);
    sleep(1);
    pthread_mutex_lock(&mutex2);
    printf("%s 获取锁2成功\n",taskName);
    printf("%s\n",taskName);
    pthread_mutex_unlock(&mutex2);
    pthread_mutex_unlock(&mutex1);
    return NULL;
}
void *task2(void *data)
{
    char *taskName = (char *)data;
    pthread_mutex_lock(&mutex2);
    printf("%s 获取锁2成功，等待1秒之后获取锁1\n",taskName);
    sleep(1);
    pthread_mutex_lock(&mutex1);
    printf("%s 获取锁1成功\n",taskName);
    printf("%s\n",taskName);
    pthread_mutex_unlock(&mutex1);
    pthread_mutex_unlock(&mutex2);
    return NULL;
}
int main(int argc,char const *argv[])
{
    //动态初始化互斥锁
    pthread_mutex_init(&mutex1,NULL);
    pthread_mutex_init(&mutex2,NULL);
    pthread_t tid1,tid2;
    pthread_create(&tid1,NULL,task1,"hello");
    pthread_create(&tid2,NULL,task2,"good");
    pthread_join(tid1,NULL);
    pthread_join(tid2,NULL);
    //销毁锁
    pthread_mutex_destroy(&mutex1);
    pthread_mutex_destroy(&mutex2);
    return 0;
}

解决问题，一定要按顺序加锁与解锁

void *task1(void *data)
{
    char *taskName = (char *)data;
    pthread_mutex_lock(&mutex1);
    printf("%s 获取锁1成功, 等待1秒之后获取锁2\n", taskName);
    sleep(1);
    pthread_mutex_lock(&mutex2);
    printf("%s 获取锁2成功\n", taskName);
    printf("%s\n", taskName);
    pthread_mutex_unlock(&mutex2);
    pthread_mutex_unlock(&mutex1);
    return NULL;
}
void *task2(void *data)
{
    char *taskName = (char *)data;
    pthread_mutex_lock(&mutex1);
    printf("%s 获取锁1成功, 等待1秒之后获取锁2\n", taskName);
    sleep(1);
    pthread_mutex_lock(&mutex2);
    printf("%s 获取锁2成功\n", taskName);
    printf("%s\n", taskName);
    pthread_mutex_unlock(&mutex2);
    pthread_mutex_unlock(&mutex1);
    return NULL;
}

3. 读写锁

如果就两个任务，一个读，一个写，建议使用互斥锁。

如果3个或3个以上的任务，多个读或多个写，建议使用读写锁

3.1 读写锁的概述

读写锁(Read-Write-Lock)是一种并发控制机制，用于在多线程环境下对共享资源进行读写操作的同步和互斥。

读写锁允许多个线程同时对共享资源进行读取操作，但在有线程进行写入操作时，其他线程无法进行读取或写入操作，从而保证了对共享资源的安全访问

读写锁通常有两种状态：读取状态和写入状态。当没有线程进行写入操作时，多个线程可以同时获取读取锁，从而并发地读取共享资源。这样可以提高并发性能，因为读取操作不会修改共享资源，不会产生数据竞争。

当有线程获取写入锁时，其他线程无法获取读取锁或写入锁，从而实现了独占式的写入操作。这是为了保证数据的一致性和完整性，因为写入操作可能会修改共享资源，需要排他地进行

读写锁的基本特点如下：

  • 多个线程可以同时获取读取锁，实现并发的读取操作
  • 写入锁是独占的，当有线程获取写入锁时，其他线程无法获取读取锁或写入锁
  • 当有线程持有读取锁时，其他线程可以继续获取读取锁，但不能获取写入锁
  • 读取锁和写入锁之间的优先级关系可以根据具体的实现策略而定，如读优先或写优先

读写锁的使用场景通常是在读操作远远多于写操作的情况下，通过允许多个线程同时读取来提高并发性能。然而，需要注意的是，如果读操作的频率非常高，而写操作的频率很低，那么读写锁可能会导致写入操作的饥饿，即写入操作一直得不到执行。

3.2 读写锁的API

读写锁的类型：pthread_rwlock_t

3.2.1 动态初始化

#include <pthread.h>
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict_rwlock,const pthread_rwlockattr_t *restrict_attr);

参数：

  • rwlock：指向要初始化的读写锁指针
  • attr：读写锁的属性指针。如果attr为NULL则会使用默认的属性初始化读写锁，否则使用指定的attr初始化读写锁

3.2.2 静态初始化

pthread_rwlock_t my_rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;

这种方法等价于使用NULL指定的attr参数调用pthread_init()来完成动态初始化，不同之处在于PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER宏不进行错误检查

3.2.3 销毁读写锁

int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

3.2.4 申请读锁

阻塞方式申请：

int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

以阻塞方式在读写锁上获取读锁(读锁定)

如果没有写者持有该锁，并且没有写者阻塞在该锁上，则调用线程会获取读锁。

如果调用线程未获取读锁，则它将阻塞直到它获取了该锁。一个线程可以在一个读写锁上多次执行读锁定。

线程可以成功调用pthread_rwlock_rdlock()函数n次，但是之后该线程必须调用pthread_rwlock_unlock()函数n次才能解除锁定。

非阻塞方式申请：

int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

用于尝试以非阻塞的方式来在读写锁上获取读锁

如果有任何的写者持有该锁或有写者阻塞在该读写锁上，则立即失败返回。

3.2.5 申请写锁

阻塞方式申请：

int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

在读写锁上获取写锁(写锁定)

如果没有写者持有该锁，并且没有写者的读者持有该锁，则调用线程会获取写锁

如果调用线程未获取写锁，则它将阻塞直到它获取了该锁

非阻塞方式申请：

int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

用于尝试以非阻塞的方式来在读写锁上获取写锁

如果有任何的读者或写者持有该锁，则立即返回失败

3.2.6 释放读写锁

int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

无论是读锁或写锁，都可以通过此函数解锁

例：银行存取款

设计两个线程任务函数，一个完成取款，一个完成存款

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

pthread_rwlock_t rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;

void *task1(void *data)
{
    int *money = (int *)data;
    //存款任务
    pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
    //查询余额
    printf("金额：%d\n",*money);
    sleep(1);
    
    //从键盘读取存入的金额
    printf("请输入存款金额：");
    fflush(stdout);
    int m;
    scanf("%d",&m);
    *money += m;
    //修改余额并打印结果
    printf("存款成功，余额为:%d\n",*money);
    pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
    pthread_exit(NULL);
}

void *task2(void *data)
{
    int *money = (int*)data;
    //取款任务
    pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
    //查询余额
    printf("余额:%d\n",*money);
    sleep(1);
    //从键盘读取取出的金额
    printf("请输入取款金额:");
    fflush(stdout);
    int m;
    scanf("%d",&m);
    if(*money>=m)
    {
        *money-=m;
        //修改余额并打印结果
        printf("取款成功，余额为：%d\n",money);
    }
    else
    {
        printf("取款失败，余额不足\n");
    }
    pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
    pthread_exit(NULL);
}
int main(int argc,char const *argv[])
{
    int money = 1000;//初始存款
    pthread_t tid1,tid2;
    pthread_create(&tid1,NULL,task1,&money);
    pthread_create(&tid2,NULL,task2,&money);
    pthread_join(tid1,NULL);
    pthread_join(tid2,NULL);
    pthread_rwlock_destroy(&rwlock);
    return 0; 
}

4. 条件变量

与互斥锁不同，条件变量是用来等待而不是用来上锁的，条件变量本身不是锁。

条件变量用来自动阻塞一个线程，直到某特殊情况发生为止，通常条件变量和互斥锁同时使用。

条件变量的两个动作：条件不满足，阻塞线程；当条件满足，通知阻塞的线程开始工作

条件变量的类型：pthread_cond_t

4.1 条件变量初始化

动态条件变量初始化

#include <pthread.h>
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,const pthread_condattr_t *restrict attr);

attr：条件变量属性，通常为默认值，传NULL即可。

静态初始化条件变量

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

4.2 销毁条件变量

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

4.3 等待条件满足

4.3.1 阻塞等待一个条件变量

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict_cond,pthread_mutex_t *restrict_mutex);

功能：

  • a）阻塞等待条件变量cond(参1)满足
  • b）释放已掌握的互斥锁(解锁互斥量)相当于pthread_mutex_unlock(&mutex);
    • a）b）两步为一个原子操作
    • c）当被唤醒，pthread_cond_wait函数返回时，解除阻塞并重新申请获取互斥锁pthread_mutex_lock(&mutex);

参数：

  • cond：指向要初始化的条件变量指针
  • mutex：互斥锁

4.3.2 限时等待一个条件变量

int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex,
const struct timespec *restrict abstime);
  • cond：指向要初始化的条件变量指针
  • mutex：互斥锁
  • abstime：绝对时间

4.4 唤醒等待的线程

//唤醒至少一个阻塞在条件变量上的线程
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
//唤醒全部阻塞在条件变量上的线程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

4.5 条件变量的工作原理

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4.6 案例：生产者与消费者

一个仓库刚开始有3个产品

如果生产者生产后进入仓库存放产品，消费者就不能进入仓库购买

如果消费者进入仓库购买产品，生产者就不能进入仓库存放产品

如果仓库的商品为0，消费者不能进入仓库购买

image-20230914134111815

如：

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

//互斥锁和条件变量的初始化
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

void *producer_task(void *data)
{
    int *n=(int*)data;
    while(1)
    {
        pthread_mutex_lock(mutex);
        (*n)++;
        printf("生产线程(%ld)生产了%d产品\n",pthread_self(),*n);
        //发出通知，让等待消费的线程恢复(条件满足)
        pthread_cond_broadcast(&cond);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(1);
    }
    pthread_exit(NULL);
}
void *consumer_task(void *data)
{
    int *n=(int*)data;
    while(1)
    {
        pthread_mutex_lock(mutex);
        while(*n==0)
        {
            pthread_cond_wait(&cond,&mutex);
        }
        printf("消费者(%ld)消费了%d产品\n",pthread_self(),*n);
        (*n)--;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(1);
    }
    pthread_exit(NULL);
}
int main(int argc,char const *argv[])
{
    int num=3;//3个产品
    pthread_t threads[5];
    //创建2个生产线程
    for(int i=0;i<2;i++)
    {
        pthread_create(&threads[i],NULL,producer_task,&num);
    }
    //创建3个消费者线程
    for(int i=2;i<5;i++)
    {
        pthread_create(&threads[i],NULL,consumer_task,&num);
    }
    for(int i=0;i<5;i++)
    {
        pthread_join(threads[i],NULL);
    }
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&cond);
    return 0;
}

5. 信号量

5.1 信号量的概念

信号量广泛用于进程或线程间的同步和互斥，信号量本质上是一个非负的整数计数器，它被用来控制对公共资源的访问。

当信号量值大于0时，则可以访问，否则将阻塞，PV原语是对信号量的操作，一次P操作使信号量减1，一次V操作使信号量加1。

信号量数据类型为：sem_t

信号量完成互斥

不管有多少个任务，只要是互斥，只要一个信号量，并且初始化1

image-20230915081010413

信号量用于同步

有几个任务就需要有几个信号量，先执行为任务的信号初始化为1，其他信号量初始化为0，所有任务P自己的信号，V下一个任务的信号量

image-20230915081137250

5.2 信号量的API

5.2.1 信号量的初始化

创建一个信号量并初始化它的值，一个无名信号量在被使用前必须先初始化

#include <semaphore.h>
int sem_init(sem_t *sem,int pshared,unsigned int value);

参数：

  • sem：信号量的地址
  • pshared：等于0，信号量在线程间共享(常用)；不等于0，信号量在进程间共享。
  • value：信号量的初始值

返回值：成功0，失败-1

5.2.2 P操作

功能：将信号量减1，如果信号量的值为0则阻塞，大于0可以减1

int sem_wait(sem_t *sem);

功能：尝试将信号量减1，如果信号量的值为0不阻塞，立即返回，大于0减1

int sem_trywait(sem_t *sem);

返回值：成功0失败-1

5.2.3 V操作

将信号量的值加1并发出信号唤醒等待线程

int sem_post(sem_t *sem);

返回值：成功0失败-1

5.2.4 销毁信号量

int sem_destroy(sem_t *sem);

返回值：成功0失败-1

5.2.5 获取信号量的计数值

int sem_getvalue(sem_t *sem,int *sval);

银行案例信号量实现：先存款再取款，通过信号量实现同步线程操作

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <semaphore.h>

sem_t sem1,sem2;//信号量
void *task1(void *data)
{
    int *money=(int *)data;
    //存款任务
    sem_wait(&sem1);
    //查询余额
    printf("存款任务-余额:%d\n",*money);
    sleep(1);
    //从键盘读取存入的金额
    printf("请输入存款金额：");
    fflush(stdout);
    int m;
    scanf("%d",&m);
    *money += m;
    //修改余额并打印结果
    printf("存款成功，余额为:%d\n",*money);
    sem_post(&sem2);
    pthread_exit(NULL);
}
void *task2(void *data)
{
    int *money=(int *)data;
    //取款任务
    sem_wait(&sem2);
    //查询余额
    printf("余额:%d\n",*money);
    sleep(1);
    //从键盘读取取出的金额
    printf("请输入存款金额：");
    fflush(stdout);
    int m;
    scanf("%d",&m);
    if(*mony>=m)
    {
        *money-=m;
        //修改余额并打印结果
        printf("取款成功，余额为:%d\n",*money);
    }else{
        printf("取款失败,余额不足\n");
    }
    sem_post(&sem1);
    pthread_exit(NULL);
}
int main(int argc,char const *argv[])
{
    //初始化信号量
    sem_init(&sem1,0,1);//存款的信号量初始化
    sem_init(&sem2,0,0);//取款的信号量初始化
    int money = 1000;//存款
    pthread_t tid1,tid2;
    pthread_create(&tid1,NULL,task1,&money);
    pthread_create(&tid2,NULL,task2,&money);
    pthread_join(tid1,NULL);
    pthread_join(tid2,NULL);
    sem_destroy(&sem1);
    sem_destroy(&sem2);
    return 0;
}

6. 有名信号量

6.1 有名信号量概念

其实posix的信号有两种：

  • 1.无名信号量
  • 2.有名信号量

无名信号量一般用于线程间同步或互斥。而有名信号量一般用于进程间同步或互斥

6.2 创建有名信号量

创建一个信号量

#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <semaphore.h>
//信号量存在
sem_t *sem_open(const char *name,int oflag);
//信号量不存在
sem_t *sem_open(const char *name,int oflag,mode_t mode,unsigned int value);

参数：

  • name：信号量文件名
  • flags：sem_open函数的行为标志，同open的flag
  • mode：文件权限(可读、可写、可执行)的设置
  • value：信号量初始值

返回值：成功返回信号量的地址，失败返回SEM_FAILED

6.3 信号量的关闭

int sem_close(sem_t *sem);

返回值：成功返回0，失败返回-1

6.4 信号量的删除

删除信号量的文件

int sem_unlink(const char *name);

返回值：成功0，失败-1

如：

#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <semaphore.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

void printer(char *msg)
{
    while(*msg)
    {
        printf("%c",*msg++);
        fflush(stdout);
        sleep(1);
    }
}

父子进程间有名信号的互斥

int main()
{
    sem_t *sem = sem_open("mysem",O_CREAT|O_RDWR,0666,1);
    int pid = fork();
    if(pid==0)
    {
        sem_wait(sem);
        printer("dijun666");
        sem_post(sem);
        _exit(0);
    }
    else if(pid>0)
    {
        sem_wait(sem);
        printer("changxihe666");
        sem_post(sem);
        wait(NULL);
        printf("\n--over--\n");
        sem_close(sem);
        sem_unlink("mysem");//删除信号量文件
    }
    return 0;
}

父子进程，有名信号量的同步

int main()
{
    sem_t *sem1 = sem_open("mysem1",O_CREAT|O_RDWR,0666,1);
    sem_t *sem2 = sem_open("mysem2",O_CREAT|O_RDWR,0666,0);
    int pid = fork();
    if(pid==0)
    {
        sem_wait(sem1);
        printer("dijun666");
        sem_post(sem2);
        _exit(0);
    }
    else if(pid>0)
    {
        sem_wait(sem2);
        printer("changxihe666");
        sem_post(sem1);
        wait(NULL);
        printf("\n--over--\n");
        sem_close(sem1);
        sem_close(sem2);
        sem_unlink("mysem1");//删除信号量文件
        sem_unlink("mysem2");
    }
    return 0;
}

无血缘关系的进程的互斥

int main()
{
    //打开信号量文件
    sem_t *sem = sem_open("mysem",O_CREAT|O_RDWR,0666,1);
    sem_wait(sem);
#ifdef DIJUN
    printer("dijun666\n");
#else 
    printer("changxihe888\n");
#endif
    sem_post(sem);
    sem_close(sem);
    return 0;
}

无血缘关系的进程的同步

int main()
{
       //打开信号量文件
    sem_t *sem1 = sem_open("mysem1",O_CREAT|O_RDWR,0666,1);
      sem_t *sem2 = sem_open("mysem2",O_CREAT|O_RDWR,0666,1);
#ifdef DIJUN
    sem_wait(sem2);
    printer("dijun666\n");
    sem_post(sem1);
#else
    sem_wait(sem1);
    printer("changxihe888\n");
    sem_post(sem2);
#endif
    sem_close(sem1)
    sem_close(sem2);
    return 0;
}

标签：同步,int,信号量,互斥,mutex,pthread,sem,多任务
From： https://www.cnblogs.com/dijun666/p/17704050.html

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