Linux 线程同步---条件变量

1. 相关函数
#include <pthread.h>
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t
*cond_attr);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t
*mutex, const struct timespec *abstime);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

2. 说明
条件变量是一种同步机制，允许线程挂起，直到共享数据上的某些条件得到满足。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。
条件变量要和互斥量相联结，以避免出现条件竞争－－一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。
pthread_cond_init 使用 cond_attr 指定的属性初始化条件变量 cond，当 cond_attr 为 NULL 时，使用缺省的属性。LinuxThreads 实现条件变量不支持属性，因此 cond_attr 参数实际被忽略。
pthread_cond_t 类型的变量也可以用 PTHREAD_COND_INITIALIZER 常量进行静态初始化。
pthread_cond_signal 使在条件变量上等待的线程中的一个线程重新开始。如果没有等待的线程，则什么也不做。如果有多个线程在等待该条件，只有一个能重启动，但不能指定哪一个。
pthread_cond_broadcast 重启动等待该条件变量的所有线程。如果没有等待的线程，则什么也不做。
pthread_cond_wait 自动解锁互斥量(//如果不释放，其他线程永远改变不了条件，条件永不能为真，该线程将一直阻塞下去)(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。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)。
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。
pthread_cond_timedwait 和 pthread_cond_wait 一样，自动解锁互斥量及等待条件变量，但它还限定了等待时间。如果在 abstime 指定的时间内 cond 未触发，互斥量 mutex 被重新加锁，且 pthread_cond_timedwait 返回错误 ETIMEDOUT。abstime 参数指定一个绝对时间，时间原点与 time 和 gettimeofday 相同：abstime = 0 表示 1970 年 1 月 1 日 00:00:00 GMT。
pthread_cond_destroy 销毁一个条件变量，释放它拥有的资源。进入 pthread_cond_destroy 之前，必须没有在该条件变量上等待的线程。在 LinuxThreads 的实现中，条件变量不联结资源，除检查有没有等待的线程外，pthread_cond_destroy 实际上什么也不做。
3. 取消
pthread_cond_wait 和 pthread_cond_timedwait 是取消点。如果一个线程在这些函数上挂起时被取消，线程立即继续执行，然后再次对 pthread_cond_wait 和 pthread_cond_timedwait 在 mutex 参数加锁，最后执行取消。因此，当调用清除处理程序时，可确保，mutex 是加锁的。
4. 异步信号安全(Async-signal Safety)
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。

5. 返回值
在执行成功时，所有条件变量函数都返回 0，错误时返回非零的错误代码。
6. 错误代码
pthread_cond_init, pthread_cond_signal, pthread_cond_broadcast, 和 pthread_cond_wait 从不返回错误代码。
pthread_cond_timedwait 函数出错时返回下列错误代码：
ETIMEDOUT abstime 指定的时间超时时，条件变量未触发
EINTR pthread_cond_timedwait 被触发中断
pthread_cond_destroy 函数出错时返回下列错误代码：
EBUSY 某些线程正在等待该条件变量
7. 举例
设有两个共享的变量 x 和 y，通过互斥量 mut 保护，当 x > y 时，条件变量 cond 被触发。
int x,y;
int x,y;
pthread_mutex_t mut = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

等待直到 x > y 的执行流程：
pthread_mutex_lock(&mut);
while (x <= y) {
pthread_cond_wait(&cond, &mut);
}
/* 对 x、y 进行操作 */
pthread_mutex_unlock(&mut);

对 x 和 y 的修改可能导致 x > y，应当触发条件变量：
pthread_mutex_lock(&mut);
/* 修改 x、y */
if (x > y) pthread_cond_broadcast(&cond);
pthread_mutex_unlock(&mut);

如果能够确定最多只有一个等待线程需要被唤醒(例如，如果只有两个线程通过 x、y 通信)，则使用 pthread_cond_signal 比 pthread_cond_broadcast 效率稍高一些。如果不能确定，应当用 pthread_cond_broadcast。
要等待在 5 秒内 x > y，这样处理：

struct timeval now;
struct timespec timeout;
int retcode;

pthread_mutex_lock(&mut);
gettimeofday(&now);
timeout.tv_sec = now.tv_sec + 5;
timeout.tv_nsec = now.tv_usec * 1000;
retcode = 0;
while (x <= y && retcode != ETIMEDOUT) {
retcode = pthread_cond_timedwait(&cond, &mut, &timeout);
}
if (retcode == ETIMEDOUT) {
/* 发生超时 */
} else {
/* 操作 x 和 y */
}
pthread_mutex_unlock(&mut);



条件变量

　　使用互斥锁来实现线程间数据的共享和通信，互斥锁一个明显的缺点是它只有两种状态：锁定和非锁定。而条件变量通过允许线程阻塞和等待另一个线程发送信号的方法弥补了互斥锁的不足，它常和互斥锁一起使用。使用时，条件变量被用来阻塞一个线程，当条件不满足时，线程往往解开相应的互斥锁并等待条件发生变化。一旦其它的某个线程改变了条件变量，它将通知相应的条件变量唤醒一个或多个正被此条件变量阻塞的线程。这些线程将重新锁定互斥锁并重新测试条件是否满足。一般说来，条件变量被用来进行线承间的同步。

　　条件变量的结构为pthread_cond_t，函数pthread_cond_init（）被用来初始化一个条件变量。它的原型为：

　　extern int pthread_cond_init __P ((pthread_cond_t *__cond,__const pthread_condattr_t *__cond_attr));

　　其中cond是一个指向结构pthread_cond_t的指针，cond_attr是一个指向结构pthread_condattr_t的指针。结构 pthread_condattr_t是条件变量的属性结构，和互斥锁一样我们可以用它来设置条件变量是进程内可用还是进程间可用，默认值是 PTHREAD_ PROCESS_PRIVATE，即此条件变量被同一进程内的各个线程使用。注意初始化条件变量只有未被使用时才能重新初始化或被释放。释放一个条件变量的函数为pthread_cond_ destroy（pthread_cond_t cond）。　

　　函数pthread_cond_wait（）使线程阻塞在一个条件变量上。它的函数原型为：

　　extern int pthread_cond_wait __P ((pthread_cond_t *__cond,pthread_mutex_t *__mutex));

　　线程解开mutex指向的锁并被条件变量cond阻塞。线程可以被函数pthread_cond_signal和函数 pthread_cond_broadcast唤醒，但是要注意的是，条件变量只是起阻塞和唤醒线程的作用，具体的判断条件还需用户给出，例如一个变量是否为0等等，这一点我们从后面的例子中可以看到。线程被唤醒后，它将重新检查判断条件是否满足，如果还不满足，一般说来线程应该仍阻塞在这里，被等待被下一次唤醒。这个过程一般用while语句实现。

　　另一个用来阻塞线程的函数是pthread_cond_timedwait（），它的原型为：

　　extern int pthread_cond_timedwait __P ((pthread_cond_t *__cond,pthread_mutex_t *__mutex, __const struct timespec *__abstime));

　　它比函数pthread_cond_wait（）多了一个时间参数，经历abstime段时间后，即使条件变量不满足，阻塞也被解除。

　　函数pthread_cond_signal（）的原型为：

　　extern int pthread_cond_signal __P ((pthread_cond_t *__cond));

　　它用来释放被阻塞在条件变量cond上的一个线程。多个线程阻塞在此条件变量上时，哪一个线程被唤醒是由线程的调度策略所决定的。要注意的是，必须用保护条件变量的互斥锁来保护这个函数，否则条件满足信号又可能在测试条件和调用pthread_cond_wait函数之间被发出，从而造成无限制的等待。下面是使用函数pthread_cond_wait（）和函数pthread_cond_signal（）的一个简单的例子。

pthread_mutex_t count_lock;
pthread_cond_t count_nonzero;
unsigned count;
decrement_count　() {
　pthread_mutex_lock (&count_lock);
　while(count==0)
　　pthread_cond_wait( &count_nonzero, &count_lock);
　　count=count -1;
　pthread_mutex_unlock (&count_lock);
}

increment_count(){
　pthread_mutex_lock(&count_lock);
　if(count==0)
　　pthread_cond_signal(&count_nonzero);
　　count=count+1;
　pthread_mutex_unlock(&count_lock);
}

　　count值为0时，decrement函数在pthread_cond_wait处被阻塞，并打开互斥锁count_lock。此时，当调用到函数 increment_count时，pthread_cond_signal（）函数改变条件变量，告知decrement_count（）停止阻塞。读者可以试着让两个线程分别运行这两个函数，看看会出现什么样的结果。

　　函数pthread_cond_broadcast（pthread_cond_t *cond）用来唤醒所有被阻塞在条件变量cond上的线程。这些线程被唤醒后将再次竞争相应的互斥锁，所以必须小心使用这个函数。

本文转自http://fqyyang.blog.163.com/blog/static/485429642010726105236702/