pthread_cond_timedwait 实例

linux多线程编程，你还在用sleep么？用pthread_cond_timedwait吧

摘要：多线程编程中，线程A循环计算，然后sleep一会接着计算（目的是减少CPU利用率）；存在的问题是，如果要关闭程序，通常选择join线程A等待线程A退出，可是我们必须等到sleep函数返回，该线程A才能正常退出，这无疑减慢了程序退出的速度。当然，你可以terminate线程A，但这样做很不优雅，且会存在一些未知问题。采用pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t
* cond, pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec * abstime)可以优雅的解决该问题，设置等待条件变量cond，如果超时，则返回；如果等待到条件变量cond，也返回。本文暂不将内部机理，仅演示一个demo。

首先，看这段代码，thr_fn为一个线程函数：

bool flag = true;

void * thr_fn(void * arg)

{

while (flag)

{

printf(“.\n”);

sleep(10);

}

printf(“thread exit\n”);

}

int main()

{

pthread_t thread;

if (0 != pthread_create(&thread, NULL, thr_fn, NULL))

{

printf(“error when create pthread,%d\n”, errno);

return 1;

}

char c ;

while ((c = getchar()) != ‘q’);

printf(“Now terminate the thread!\n”);

flag = false;

printf(“Wait for thread to exit\n”);

pthread_join(thread, NULL);

printf(“Bye\n”);

return 0;

}

输入q后，需要等线程从sleep中醒来（由挂起状态变为运行状态），即最坏情况要等10s，线程才会被join。采用sleep的缺点：不能及时唤醒线程。

采用pthread_cond_timedwait函数实现的如下：

include <stdio.h>

include <sys/time.h>

include <unistd.h>

include <pthread.h>

include <errno.h>

pthread_t thread;

pthread_cond_t cond;

pthread_mutex_t mutex;

bool flag = true;

void * thr_fn(void * arg)

{

struct timeval now;

struct timespec outtime;

pthread_mutex_lock(&mutex);

while (flag)

{

printf(“.\n”);

gettimeofday(&now, NULL);

outtime.tv_sec = now.tv_sec + 5;

outtime.tv_nsec = now.tv_usec * 1000;

pthread_cond_timedwait(&cond, &mutex, &outtime);

}

pthread_mutex_unlock(&mutex);

printf(“thread exit\n”);

}

int main()

{

pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

pthread_cond_init(&cond, NULL);

if (0 != pthread_create(&thread, NULL, thr_fn, NULL))

{

printf(“error when create pthread,%d\n”, errno);

return 1;

}

char c ;

while ((c = getchar()) != ‘q’);

printf(“Now terminate the thread!\n”);

flag = false;

pthread_mutex_lock(&mutex);

pthread_cond_signal(&cond);

pthread_mutex_unlock(&mutex);

printf(“Wait for thread to exit\n”);

pthread_join(thread, NULL);

printf(“Bye\n”);

return 0;

}

说明(翻译摘要中提供的连接，翻译的不好，凑合的看吧)：

pthread_cond_timedwait()函数阻塞住调用该函数的线程，等待由cond指定的条件被触发（pthread_cond_broadcast() or pthread_cond_signal()）。

当pthread_cond_timedwait()被调用时，调用线程必须已经锁住了mutex。函数pthread_cond_timedwait()会对mutex进行【解锁和执行对条件的等待】（原子操作）。这里的原子意味着：解锁和执行条件的等待是原则的，一体的。（In this case, atomically means with respect to the mutex and the condition variable and other access by threads to those objects
through the pthread condition variable interfaces.）

如果等待条件满足或超时，或线程被取消，调用线程需要在线程继续执行前先自动锁住mutex，如果没有锁住mutex，产生EPERM错误。即，该函数返回时，mutex已经被调用线程锁住。

等待的时间通过abstime参数（绝对系统时间，过了该时刻就超时）指定，超时则返回ETIMEDOUT错误码。开始等待后，等待时间不受系统时钟改变的影响。

尽管时间通过秒和纳秒指定，系统时间是毫秒粒度的。需要根据调度和优先级原因，设置的时间长度应该比预想的时间要多或者少点。可以通过使用系统时钟接口gettimeofday()获得timeval结构体。

注: 为了可靠的使用条件变量和确保不忘记对条件变量的唤醒操作，应该采用一个bool变量和mutex变量同条件变量配合使用。如本文demo。

最近开始入手网络编程领域，简单的学习了PThread的几个库方法，然后就开始进项目组学习了。遇到的最大问题就是死锁问题，因为我用的方法是:

pthread_cond_wait（）和 pthread_cond_signal() 来控制的,有的时候看着明明是对的或者说是单步调试的情况下是正确的,但是一运行就卡住不动了,实在是太郁闷了,这个时候我发现了一个有用的函数:

pthread_cond_timedwait

(pthread_cond_t * _cond,pthread_mutex_t * _mutex,_const struct timespec * _abstime);

这个函数的解释为: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。

一看到后面这句话,就比较激动,这样的话,我只需要把pthread_cond_wait函数替换为 pthread_cond_timedwait函数,这样即使有的时候发生死锁了,也可以让程序自己解开,重新进入正常的运行状态.好,开始学习这个函数.

这个函数和pthread_cond_wait主要差别在于第三个参数,这个_abstime，从函数的说明来看,这个参数并不是像红字所描述的经历了abstime段时间后，而是到达了abstime时间，而后才解锁,所以这里当我们用参数的时候不能直接就写个时间间隔,比如5S,而是应该写上到达的时间点.所以初始化的过程为:

　　struct timespec timeout;　　//定义时间点

　　timeout.tv_sec=time(0)+1; //time(0) 代表的是当前时间 而tv_sec 是指的是秒

　　timeout.tv_nsec=0; //tv_nsec 代表的是纳秒时间

这样这个结构体的意思是,当函数到达到距离当前时间1s的时间点的时候,线程自动苏醒。然后再调用 pthread_cond_timedwait的方法就完全OK. 顺便再附上linux下所有的时间代表含义.

关于Linux下时间编程的问题：

1. Linux下与时间有关的结构体

struct timeval

{

int tv_sec;

int tv_usec;

};

其中tv_sec是由凌晨开始算起的秒数，tv_usec则是微秒(10E-6 second)。

struct timezone

{

int tv_minuteswest;

int tv_dsttime;

};

tv_minuteswest是格林威治时间往西方的时差，tv_dsttime则是时间的修正方式。

struct timespec

{

long int tv_sec;

long int tv_nsec;

};

tv_nsec是nano second(10E-9 second)。

struct tm

{

int tm_sec;

int tm_min;

int tm_hour;

int tm_mday;

int tm_mon;

int tm_year;

int tm_wday;

int tm_yday;

int tm_isdst;

};

tm_sec表「秒」数，在[0,61]之间，多出来的两秒是用来处理跳秒问题用的。

tm_min表「分」数，在[0,59]之间。

tm_hour表「时」数，在[0,23]之间。

tm_mday表「本月第几日」，在[1,31]之间。

tm_mon表「本年第几月」，在[0,11]之间。

tm_year要加1900表示那一年。

tm_wday表「本第几日」，在[0,6]之间。

tm_yday表「本年第几日」，在[0,365]之间，闰年有366日。

tm_isdst表是否为「日光节约时间」。

struct itimerval

{

struct timeval it_interval;

struct timeval it_value;

};

it_interval成员表示间隔计数器的初始值，而it_value成员表示间隔计数器的当前值。

2.获得当前时间

在所有的UNIX下，都有个time()的函数

time_t time(time_t *t);

这个函数会传回从epoch开始计算起的秒数，如果t是non-null，它将会把时间值填入t中。

对某些需要较高精准度的需求，Linux提供了gettimeofday()。

int gettimeofday(struct timeval * tv,struct timezone *tz);

int settimeofday(const struct timeval * tv,const struct timezone *tz);

struct tm格式时间函数

struct tm * gmtime(const time_t * t);

转换成格林威治时间。有时称为GMT或UTC。

struct tm * localtime(const time_t *t);

转换成本地时间。它可以透过修改TZ环境变数来在一台机器中，不同使用者表示不同时间。

time_t mktime(struct tm *tp);

转换tm成为time_t格式，使用本地时间。

tme_t timegm(strut tm *tp);

转换tm成为time_t格式，使用UTC时间。

double difftime(time_t t2,time_t t1);

计算秒差。

3.文字时间格式函数

char * asctime(struct tm *tp);

char * ctime(struct tm *tp);

这两个函数都转换时间格式为标准UNIX时间格式。

Mon May 3 08:23:35 1999

ctime一率使用当地时间，asctime则用tm结构内的timezone资讯来表示。

size_t strftime(char *str,size_t max,char *fmt,struct tm *tp);

strftime有点像sprintf，其格式由fmt来指定。

%a : 本第几天名称，缩写。

%A : 本第几天名称，全称。

%b : 月份名称，缩写。

%B : 月份名称，全称。

%c : 与ctime/asctime格式相同。

%d : 本月第几日名称，由零算起。

%H : 当天第几个小时，24小时制，由零算起。

%I : 当天第几个小时，12小时制，由零算起。

%j : 当年第几天，由零算起。

%m : 当年第几月，由零算起。

%M : 该小时的第几分，由零算起。

%p : AM或PM。

%S : 该分钟的第几秒，由零算起。

%U : 当年第几，由第一个日开始计算。

%W : 当年第几，由第一个一开始计算。

%w : 当第几日，由零算起。

%x : 当地日期。

%X : 当地时间。

%y : 两位数的年份。

%Y : 四位数的年份。

%Z : 时区名称的缩写。

%% : %符号。

char * strptime(char *s,char *fmt,struct tm *tp);

如同scanf一样，解译字串成为tm格式。

%h : 与%b及%B同。

%c : 读取%x及%X格式。

%C : 读取%C格式。

%e : 与%d同。

%D : 读取%m/%d/%y格式。

%k : 与%H同。

%l : 与%I同。

%r : 读取"%I:%M:%S %p"格式。

%R : 读取"%H:%M"格式。

%T : 读取"%H:%M:%S"格式。

%y : 读取两位数年份。

%Y : 读取四位数年份。

下面举一个小例子，说明如何获得系统当前时间：

time_t now;

struct tm *timenow;

char strtemp[255];

time(&now);

timenow = localtime(&now);

printf("recent time is : %s \n", asctime(timenow))

‍1 pthread_cond_timedwait行为和pthread_cond_wait一样，在返回的时候都要再次lock mutex.

2 pthread_cond_timedwait所谓的如果没有等到条件变量，超时就返回，并不确切。

如果pthread_cond_timedwait超时到了，但是这个时候不能lock临界区，pthread_cond_timedwait并不会立即返回，但是在pthread_cond_timedwait返回的时候，它仍在临界区中，且此时返回值为ETIMEDOUT.

其实，这样的设计也是符合逻辑的。

使用条件变量最大的好处是可以避免忙等。相当与多线程中的信号。

条件变量是线程中的东西就是等待某一条件的发生和信号一样

以下是说明

，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）。为了防止竞争，条件变量的使用总是和一个互斥锁结合在一起。

条件变量类型为pthread_cond_t

创建和注销

条件变量和互斥锁一样，都有静态动态两种创建方式，静态方式使用PTHREAD_COND_INITIALIZER常量，如下：

pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER

动态方式调用pthread_cond_init()函数，API定义如下：

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr)

尽管POSIX标准中为条件变量定义了属性，但在LinuxThreads中没有实现，因此cond_attr值通常为NULL，且被忽略。

注销一个条件变量需要调用pthread_cond_destroy()，只有在没有线程在该条件变量上等待的时候才能注销这个条件变量，否则返回EBUSY。API定义如下：

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond)

等待和激发

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)

等待条件有两种方式：无条件等待pthread_cond_wait()和计时等待pthread_cond_timedwait()，其中计时等待方式如果在给定时刻前条件没有满足，则返回ETIMEOUT，结束等待，其中abstime以与time()系统调用相同意义的绝对时间形式出现，0表示格林尼治时间1970年1月1日0时0分0秒。

使用绝对时间而非相对时间的优点是。如果函数提前返回（很可能因为捕获了一个信号，）

无论哪种等待方式，都必须和一个互斥锁配合，以防止多个线程同时请求pthread_cond_wait()（或pthread_cond_timedwait()，下同）的竞争条件（Race Condition）。mutex互斥锁必须是普通锁（PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP）或者适应锁（PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP），且在调用pthread_cond_wait()前必须由本线程加锁（pthread_mutex_lock()），而在更新条件等待队列以前，mutex保持锁定状态，并在线程挂起进入等待前解锁。在条件满足从而离开pthread_cond_wait()之前，mutex将被重新加锁，以与进入pthread_cond_wait()前的加锁动作对应。

激发条件有两种形式，pthread_cond_signal()激活一个等待该条件的线程，存在多个等待线程时按入队顺序激活其中一个；而pthread_cond_broadcast()则激活所有等待线程。

其他

pthread_cond_wait()和pthread_cond_timedwait()都被实现为取消点，因此，在该处等待的线程将立即重新运行，在重新锁定mutex后离开pthread_cond_wait()，然后执行取消动作。也就是说如果pthread_cond_wait()被取消，mutex是保持锁定状态的，因而需要定义退出回调函数来为其解锁。

EXAMPLE

Consider two shared variables x and y, protected by the mutex mut, and

a condition variable cond that is to be signaled whenever x becomes

greater than y.

int x,y;

pthread_mutex_t mut = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

Waiting until x is greater than y is performed as follows:

pthread_mutex_lock(&mut);

while (x <= y) {

pthread_cond_wait(&cond, &mut);

}

/* operate on x and y */

pthread_mutex_unlock(&mut);

Modifications on x and y that may cause x to become greater than y

should signal the condition if needed:

pthread_mutex_lock(&mut);

/* modify x and y */

if (x > y) pthread_cond_broadcast(&cond);

pthread_mutex_unlock(&mut);

If it can be proved that at most one waiting thread needs to be waken

up (for instance, if there are only two threads communicating through x

and y), pthread_cond_signal can be used as a slightly more efficient

alternative to pthread_cond_broadcast. In doubt, use

pthread_cond_broadcast.

To wait for x to becomes greater than y with a timeout of 5 seconds,

do:

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) {

/* timeout occurred */

} else {

/* operate on x and y */

}

pthread_mutex_unlock(&mut);

1.初始化条件变量pthread_cond_init #include <pthread.h> int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cv, const pthread_condattr_t *cattr); 返回值：函数成功返回0；任何其他返回值都表示错误 初始化一个条件变量。当参数cattr为空指针时，函数创建的是一个缺省的条件变量。否则条件变量的属性将由cattr中的属性值来决定。调用pthread_cond_init函数时，参数cattr为空指针等价于cattr中的属性为缺省属性，只是前者不需要cattr所占用的内存开销。这个函数返回时，条件变量被存放在参数cv指向的内存中。 可以用宏PTHREAD_COND_INITIALIZER来初始化静态定义的条件变量，使其具有缺省属性。这和用pthread_cond_init函数动态分配的效果是一样的。初始化时不进行错误检查。如： pthread_cond_t cv = PTHREAD_COND_INITIALIZER; 不能由多个线程同时初始化一个条件变量。当需要重新初始化或释放一个条件变量时，应用程序必须保证这个条件变量未被使用。 2.阻塞在条件变量上pthread_cond_wait #include <pthread.h> int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cv, pthread_mutex_t *mutex); 返回值：函数成功返回0；任何其他返回值都表示错误 函数将解锁mutex参数指向的互斥锁，并使当前线程阻塞在cv参数指向的条件变量上。 被阻塞的线程可以被pthread_cond_signal函数，pthread_cond_broadcast函数唤醒，也可能在被信号中断后被唤醒。 pthread_cond_wait函数的返回并不意味着条件的值一定发生了变化，必须重新检查条件的值。 pthread_cond_wait函数返回时，相应的互斥锁将被当前线程锁定，即使是函数出错返回。 一般一个条件表达式都是在一个互斥锁的保护下被检查。当条件表达式未被满足时，线程将仍然阻塞在这个条件变量上。当另一个线程改变了条件的值并向条件变量发出信号时，等待在这个条件变量上的一个线程或所有线程被唤醒，接着都试图再次占有相应的互斥锁。 阻塞在条件变量上的线程被唤醒以后，直到pthread_cond_wait()函数返回之前条件的值都有可能发生变化。所以函数返回以后，在锁定相应的互斥锁之前，必须重新测试条件值。最好的测试方法是循环调用pthread_cond_wait函数，并把满足条件的表达式置为循环的终止条件。如： pthread_mutex_lock(); while (condition_is_false) pthread_cond_wait(); pthread_mutex_unlock(); 阻塞在同一个条件变量上的不同线程被释放的次序是不一定的。 注意：pthread_cond_wait()函数是退出点，如果在调用这个函数时，已有一个挂起的退出请求，且线程允许退出，这个线程将被终止并开始执行善后处理函数，而这时和条件变量相关的互斥锁仍将处在锁定状态。 3.解除在条件变量上的阻塞pthread_cond_signal #include <pthread.h> int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cv); 返回值：函数成功返回0；任何其他返回值都表示错误 函数被用来释放被阻塞在指定条件变量上的一个线程。 必须在互斥锁的保护下使用相应的条件变量。否则对条件变量的解锁有可能发生在锁定条件变量之前，从而造成死锁。 唤醒阻塞在条件变量上的所有线程的顺序由调度策略决定，如果线程的调度策略是SCHED_OTHER类型的，系统将根据线程的优先级唤醒线程。 如果没有线程被阻塞在条件变量上，那么调用pthread_cond_signal()将没有作用。 4.阻塞直到指定时间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：函数成功返回0；任何其他返回值都表示错误 函数到了一定的时间，即使条件未发生也会解除阻塞。这个时间由参数abstime指定。函数返回时，相应的互斥锁往往是锁定的，即使是函数出错返回。 注意：pthread_cond_timedwait函数也是退出点。 超时时间参数是指一天中的某个时刻。使用举例： pthread_timestruc_t to; to.tv_sec = time(NULL) + TIMEOUT; to.tv_nsec = 0; 超时返回的错误码是ETIMEDOUT。 5.释放阻塞的所有线程pthread_cond_broadcast #include <pthread.h> int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cv); 返回值：函数成功返回0；任何其他返回值都表示错误 函数唤醒所有被pthread_cond_wait函数阻塞在某个条件变量上的线程，参数cv被用来指定这个条件变量。当没有线程阻塞在这个条件变量上时，pthread_cond_broadcast函数无效。 由于pthread_cond_broadcast函数唤醒所有阻塞在某个条件变量上的线程，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pthread_cond_broadcast函数。 6.释放条件变量pthread_cond_destroy #include <pthread.h> int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cv); 返回值：函数成功返回0；任何其他返回值都表示错误 释放条件变量。 注意：条件变量占用的空间并未被释放。 7.唤醒丢失问题 在线程未获得相应的互斥锁时调用pthread_cond_signal或pthread_cond_broadcast函数可能会引起唤醒丢失问题。 唤醒丢失往往会在下面的情况下发生： 一个线程调用pthread_cond_signal或pthread_cond_broadcast函数； 另一个线程正处在测试条件变量和调用pthread_cond_wait函数之间； 没有线程正在处在阻塞等待的状态下