Posix多线程编程（5）—条件变量

一、什么是条件变量

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。

条件变量使我们可以睡眠等待某种条件出现。条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制，主要包括两个动作：一个线程等待"条件变量的条件成立"而挂起；另一个线程使"条件成立"（给出条件成立信号）。

条件的检测是在互斥锁的保护下进行的。如果一个条件为假，一个线程自动阻塞，并释放等待状态改变的互斥锁。如果另一个线程改变了条件，它发信号给关联的条件变量，唤醒一个或多个等待它的线程，重新获得互斥锁，重新评价条件。如果两进程共享可读写的内存，条件变量可以被用来实现这两进程间的线程同步。

使用条件变量之前要先进行初始化。可以在单个语句中生成和初始化一个条件变量如：

pthread_cond_t my_condition=PTHREAD_COND_INITIALIZER;（用于进程间线程的通信）。

也可以利用函数pthread_cond_init动态初始化。

二、条件变量函数

函数1．

名称： pthread_cond_init

目标： 条件变量初始化

头文件： #include < pthread.h>

函数原形： int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr);

参数: cptr 条件变量 attr 条件变量属性

返回值： 成功返回0，出错返回错误编号。

pthread_cond_init函数可以用来初始化一个条件变量。他使用变量attr所指定的属性来初始化一个条件变量，如果参数attr为空，那么它将使用缺省的属性来设置所指定的条件变量。

函数2.

名称： pthread_cond_destroy

目标： 条件变量摧毁

头文件： #include < pthread.h>

函数原形： int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

参数: cptr 条件变量

返回值： 成功返回0，出错返回错误编号。

pthread_cond_destroy函数可以用来摧毁所指定的条件变量，同时将会释放所给它分配的资源。调用该函数的进程也并不要求等待在参数所指定的条件变量上。

函数3.

名称： pthread_cond_wait/pthread_cond_timedwait

目标： 条件变量等待

头文件： #include < pthread.h>

函数原形：

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex);

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t mytex,const struct timespec *abstime);

参数:

cond 条件变量

mutex 互斥锁

返回值：

成功返回0，出错返回错误编号。

第一个参数*cond是指向一个条件变量的指针。第二个参数*mutex则是对相关的互斥锁的指针。函数pthread_cond_timedwait函数类型与函数pthread_cond_wait,区别在于，如果达到或是超过所引用的参数*abstime,它将结束并返回错误ETIME.pthread_cond_timedwait函数的参数*abstime指向一个timespec结构。该结构如下：

typedef struct timespec{

time_t tv_sec;

long tv_nsex;

}timespec_t;

函数4.

名称： pthread_cond_signal/pthread_cond_broadcast

目标： 条件变量通知

头文件： #include < pthread.h>

函数原形：

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

参数: cond 条件变量

返回值： 成功返回0，出错返回错误编号。

参数*cond是对类型为pthread_cond_t 的一个条件变量的指针。当调用pthread_cond_signal时一个在相同条件变量上阻塞的线程将被解锁。如果同时有多个线程阻塞，则由调度策略确定接收通知的线程。如果调用pthread_cond_broadcast,则将通知阻塞在这个条件变量上的所有线程。一旦被唤醒，线程仍然会要求互斥锁。如果当前没有线程等待通知，则上面两种调用实际上成为一个空操作。如果参数*cond指向非法地址，则返回值EINVAL。

示例：

下面是一个简单的例子，我们可以从程序的运行来了解条件变量的作用。

#include <pthread.h>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;/*初始化互斥锁*/

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;/*初始化条件变量*/

void *thread1(void *);

void *thread2(void *);

int i=1;

int main(void)

{

pthread_t t_a;

pthread_t t_b;

pthread_create(&t_a,NULL,thread2,(void *)NULL);/*创建进程t_a*/

pthread_create(&t_b,NULL,thread1,(void *)NULL); /*创建进程t_b*/

pthread_join(t_b, NULL);/*等待进程t_b结束*/

pthread_mutex_destroy(&mutex);

pthread_cond_destroy(&cond);

exit(0);

}

void *thread1(void *junk)

{

for(i=1;i<=9;i++)

{

pthread_mutex_lock(&mutex);/*锁住互斥量*/

if(i%3==0)

pthread_cond_signal(&cond);/*条件改变，发送信号，通知t_b进程*/

else

printf("thead1:%d/n",i);

pthread_mutex_unlock(&mutex);/*解锁互斥量*/

sleep(1);

}

}

void *thread2(void *junk)

{

while(i<9)

{

pthread_mutex_lock(&mutex);

if(i%3!=0)

pthread_cond_wait(&cond,&mutex);/*等待*/

printf("thread2:%d/n",i);

pthread_mutex_unlock(&mutex);

sleep(1);

}

}

程序创建了2个新线程使他们同步运行，实现进程t_b打印9以内3的倍数，t_a打印其他的数，程序开始线程t_b不满足条件等待，线程t_a运行使a循环加1并打印。直到i为3的倍数时，线程t_a发送信号通知进程t_b，这时t_b满足条件，打印i值。

下面是运行结果：

#cc –lpthread –o cond cond.c

#./cond

thread1:1

thread1:2

thread2:3

thread1:4

thread1:5

thread2:6

thread1:7

thread1:8

thread2:9

下面的程序是经典的生产者/消费者的例证。

#include <pthread.h>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#define MAX 5

pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; /*初始化互斥锁*/

pthread_cond_t=PTHREAD_CODE_INITIALIZER; /*初始化条件变量*/

typedef struct{

char buffer[MAX];

int how_many;

}BUFFER;

BUFFER share={“”,0};

char ch=’A’;/*初始化ch*/

void *read_some(void *);

void *write_some(void *);

int main(void)

{

pthread_t t_read;

pthread_t t_write;

pthread_create(&t_read,NULL,read_some,(void *)NULL); /*创建进程t_a*/

pthread_create(&t_write,NULL,write_some,(void *)NULL); /*创建进程t_b*/

pthread_join(t_write,(void **)NULL);

pthread_mutex_destroy(&mutex);

pthread_cond_destroy(&cond);

exit(0);

}

void *read_some(void *junk)

{

int n=0;

printf(“R %2d: starting/n”,pthread_self());

while(ch!=’Z’)

{

pthread_mutex_lock(&lock_it);/*锁住互斥量*/

if(share.how_many!=MAX)

{

share.buffer[share.how_many++]=ch++;/*把字母读入缓存*/

printf(“R %2d:Got char[%c]/n”,pthread_self(),ch-1);/*打印读入字母*/

if(share.how_many==MAX)

{

printf(“R %2d:signaling full/n”,pthread_self());

pthread_cond_signal(&write_it);/*如果缓存中的字母到达了最大值就发送信号*/

}

pthread_mutex_unlock(&lock_it);/*解锁互斥量*/

}

sleep(1);

printf(“R %2d:Exiting/n”,pthread_self());

return NULL;

}

void *write_some(void *junk)

{

int i;

int n=0;

printf(“w %2d: starting/n”,pthread_self());

while(ch!=’Z’)

{

pthread_mutex_lock(&lock_it);/*锁住互斥量*/

printf(“/nW %2d:Waiting/n”,pthread_self());

while(share.how_many!=MAX)/*如果缓存区字母不等于最大值就等待*/

pthread_cond_wait(&write_it,&lock_it);

printf(“W %2d:writing buffer/n”,pthread_self());

for(i=0;share.buffer&&share.how_many;++i,share.how_many--)

putchar(share.buffer); /*循环输出缓存区字母*/

pthread_mutex_unlock(&lock_it);/*解锁互斥量*/

}

printf(“W %2d:exiting/n”,pthread_self());

return NULL;

}

程序每读入5个字母，打印一遍，并清空缓存区，循环执行直到Y为止。

程序运行结果如下：

#cc –lpthread –o readandwrite readandwrite.c

#./readandwrire

R 1082330304: stareing

W 1090718784:string

W 1090718784:Waiting

R 1082330304:Got char[A]

R 1082330304:Got char

R 1082330304:Got char[C]

R 1082330304:Got char[D]

R 1082330304:Got char[E]

R 1082330304:signaling full

W 1090718784:wring buffer

ABCDE

W 1090718784:Waiting

R 1082330304:Got char[F]

…………………………

三、条件变量属性

使用条件变量之前要先进行初始化。可以像我们前面那样可静态初始化pthread_cond_tmy_condition=PTHREAD_COND_INITIALIZER;也可以利用函数pthread_cond_init动态初始化。条件变量属性类型为pthread_condattr_t，它们由以下函数初始化或摧毁。

函数11．

名称:： pthread_condattr_init/pthread_condattr_destroy

功能： 初始化/回收pthread_condattr_t结构

头文件： #include <pthread.h>

函数原形：

int pthread_condattr_init(pthread_condattr_t *attr);

int pthread_condattr_destroy(pthread_condattr_t *attr);

参数：

返回值： 若成功返回0，若失败返回错误编号。

一旦某个条件变量对象被初始化了，我们就可以利用下面函数来查看或修改特定属性了。

函数12.

名称:： pthread_condattr_getpshared/pthread_condattr_setpshared

功能： 查看或修改条件变量属性

头文件： #include <pthread.h>

函数原形：

int pthread_condattr_init(const pthread_condattr_t *restrict attr);

int pthread_condattr_destroy(pthread_rwlockattr_t *attr,int pshared);

参数：

返回值：

若成功返回0，若失败返回错误编号。

pthread_condattr_getpshared函数在由valptr指向的整数中返回这个属性的当前值，pthread_condattr_setpshared则根据value的值设置这个属性的当前值。value的值可以是PTHREAD_PROCESS_PRIVATE或PTHREAD_PROCESS_SHARED(进程间共享).

四、条件变量与互斥锁、信号量的区别

到这里，我们把posix的互斥锁、信号量、条件变量都介绍完了，下面我们来比较一下他们。

1.互斥锁必须总是由给它上锁的线程解锁，信号量的挂出即不必由执行过它的等待操作的同一进程执行。一个线程可以等待某个给定信号灯，而另一个线程可以挂出该信号灯。

2.互斥锁要么锁住，要么被解开（二值状态，类型二值信号量）。

3.由于信号量有一个与之关联的状态（它的计数值），信号量挂出操作总是被记住。然而当向一个条件变量发送信号时，如果没有线程等待在该条件变量上，那么该信号将丢失。

4.互斥锁是为了上锁而优化的，条件变量是为了等待而优化的，信号灯即可用于上锁，也可用于等待，因而可能导致更多的开销和更高的复杂性。