为什么pthread_cond_wait需要互斥锁mutex作为参数?
一、pthread_cond_wait需要互斥锁mutex作为参数的原因
pthread_cond_wait() 是 POSIX 线程库中的一个条件变量操作函数,它会等待条件变量的信号并使线程进入睡眠状态。
通常的应用场景下,当前线程执行pthread_cond_wait时,处于临界区访问共享资源,存在一个mutex与该临界区相关联,这是理解pthread_cond_wait带有mutex参数的关键。当前线程执行pthread_cond_wait前,已经获得了和临界区相关联的mutex;执行pthread_cond_wait会阻塞,但是在进入阻塞状态前,必须释放已经获得的mutex,让其它线程能够进入临界区。当前线程执行pthread_cond_wait后,阻塞等待的条件满足,条件满足时会被唤醒;被唤醒后,仍然处于临界区,因此被唤醒后必须再次获得和临界区相关联的mutex。
综上,调用pthread_cond_wait时,线程总是位于某个临界区,该临界区与mutex相关,pthread_cond_wait需要带有一个参数mutex,用于释放和再次获取mutex。
二、使用pthread_cond_wait(cond, mutex)解决生产者和消费者问题
接下来通过一个具体的应用场景来说明,为什么pthread_cond_wait需要一个看似多余的mutex参数。
1、生产者和消费者问题
存在一个共享缓冲区,生产者向共享缓冲区写入数据,消费者从共享缓冲区中读取数据。生产者和消费者存在同步关系:当共享缓冲区为满时,生产者需要等待,等待消费者从共享缓冲区取走数据;当共享缓冲区为空时,消费者需要等待,等待生产者向共享缓冲区中写入数据。
使用环形队列实现共享缓冲区,数据结构如下:
#define CAPACITY 8 // 缓冲区的最大容量int buffer[CAPACITY]; // 缓冲区数组int in; // 缓冲区的写指针int out; // 缓冲区的读指针int size; // 缓冲区中的数据个数
缓冲区的相关代码如下:
void buffer_init(){ in = 0; out = 0; size = 0;}// 判断缓冲区是否为空int buffer_is_empty(){ return size == 0; }// 判断缓冲区是否为满int buffer_is_full(){ return size == CAPACITY; }// 向缓冲区中追加一个数据void buffer_put(int item){ buffer[in] = item; in = (in + 1) % CAPACITY; size++;}// 从缓冲区中取走一个数据int buffer_get(){ int item; item = buffer[out]; out = (out + 1) % CAPACITY; size--; return item;}
如果存在多个生产者和多个消费者,变量in、out和size会被它们共享访问,因此生产者和消费者还存在互斥关系:
当某个生产者执行buffer_is_full、buffer_put时,访问了变量in、out和size,只能允许该生产者独占访问这三个变量,禁止其他生产者和消费者访问这些共享变量。当某个消费者执行buffer_is_empty、buffer_get时,访问了变量in、out和size,只能允许该消费者独占访问这三个变量,禁止其他生产者和消费者访问这些共享变量。2、使用pthread_cond_wait(cond)解决生产者和消费者问题(名列前茅版)
下面我们尝试使用没有mutex参数的pthread_cond_wait来模拟生产者消费者,假想中没有mutex参数的pthread_cond_wait原型如下:
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond);
pthread_cond_wait(cond)的功能非常简单,仅仅阻塞当前线程。在生产者消费者这个应用场景中,很快就能发现pthread_cond_wait(cond)的问题。
使用pthread_cond_wait(cond)解决生产者和消费者问题的代码如下:
// 生产者线程执行的流程void producer_loop(){ int i; // 生产CAPACITY*2个数据 for (i = 0; i < CAPACITY*2; i++) { pthread_mutex_lock(&mutex); // 当缓冲区为满时,生产者需要等待 while (buffer_is_full()) { // 当前线程已经持有了mutex,调用pthread_cond_wait阻塞,必然导致死锁 pthread_cond_wait(&cond); } // 此时,缓冲区肯定不是满的,向缓冲区写数据 buffer_put(i); pthread_mutex_unlock(&mutex); // 缓冲区的状态发生了变化,唤醒其它的生产者或消费者 pthread_cond_signal(&cond); }}// 消费者线程执行的流程void consumer_loop(){ int i; // 消费CAPACITY*2个数据 for (i = 0; i < CAPACITY*2; i++) { pthread_mutex_lock(&mutex); // 当缓冲区为空时,消费者需要等待 while (buffer_is_empty()) { // 当前线程已经持有了mutex,调用pthread_cond_wait阻塞,必然导致死锁 pthread_cond_wait(&cond); } // 此时,缓冲区肯定不是空的,从缓冲区取数据 int item = buffer_get(); pthread_mutex_unlock(&mutex); // 缓冲区的状态发生了变化,唤醒其它的生产者或消费者 pthread_cond_signal(&cond); }}
以上程序存在一个会导致死锁的严重错误,以生产者为例:
当前缓冲区已经满了,生产者运行,首先获取mutex然后检测buffer_is_full为真,生产者无法放入数据调用pthread_cond_wait,该生产者进入阻塞状态,等待被消费者唤醒消费者试图获取mutex,由于mutex已经被占用了,消费者将进入阻塞状态生产者和消费者均进入阻塞状态,系统死锁3、使用pthread_cond_wait(cond)解决生产者和消费者问题(第二版)
为了解决死锁的问题,需要对上一节的程序进行如下改进:
调用线程调用pthread_cond_wait(cond)前,已经持有了mutex执行pthread_cond_wait(cond)前,调用pthread_unlock(mutex)释放mutex执行pthread_cond_wait(cond)后,调用pthread_lock(mutex)再次获得mutex// 生产者线程执行的流程void producer_loop(){ int i; // 生产CAPACITY*2个数据 for (i = 0; i < CAPACITY*2; i++) { pthread_mutex_lock(&mutex); // 当缓冲区为满时,生产者需要等待 while (buffer_is_full()) { pthread_mutex_unlock(&mutex); pthread_cond_wait(&cond); pthread_mutex_lock(&mutex); } // 此时,缓冲区肯定不是满的,向缓冲区写数据 buffer_put(i); pthread_mutex_unlock(&mutex); // 缓冲区的状态发生了变化,唤醒其它的生产者或消费者 pthread_cond_signal(&cond); }}// 消费者线程执行的流程void consumer_loop(){ int i; // 消费CAPACITY*2个数据 for (i = 0; i < CAPACITY*2; i++) { pthread_mutex_lock(&mutex); // 当缓冲区为空时,消费者需要等待 while (buffer_is_empty()) { pthread_mutex_unlock(&mutex); pthread_cond_wait(&cond); pthread_mutex_lock(&mutex); } // 此时,缓冲区肯定不是空的,从缓冲区取数据 int item = buffer_get(); pthread_mutex_unlock(&mutex); // 缓冲区的状态发生了变化,唤醒其它的生产者或消费者 pthread_cond_signal(&cond); }}
这里解释一下为什么线程调用pthread_cond_wait返回后,需要再次调用pthread_mutex_lock获取锁。以生产者为例,以下为生产者向buffer中追加数据的代码段:
// 生产者向buffer中追加数据pthread_mutex_lock(&mutex);while (buffer_is_full()) { pthread_mutex_unlock(&mutex); pthread_cond_wait(&cond); pthread_mutex_lock(&mutex);}buffer_put(i);pthread_mutex_unlock(&mutex);
在上面这段代码中,生产者线程会调用buffer_is_full和buffer_put,访问共享变量in、out和size。必须保证线程以独占的方式访问这些共享变量,即线程在调用buffer_is_full和buffer_put前必须持有锁。线程从pthread_cond_wait返回后,调用pthread_mutex_lock再次获得锁,然后执行语句while (buffer_is_full())时,因为已经拥有了锁,所以通过buffer_is_full访问共享变量是安全的。
4、使用pthread_cond_wait(cond, mutex)解决生产者和消费者问题
在上一个版本的程序中,生产者和消费者中存在如下代码段:
// 先释放mutex、再阻塞、最后再次获取mutexpthread_mutex_unlock(&mutex);pthread_cond_wait(&cond);pthread_mutex_lock(&mutex);
从这个应用场景来看,pthread_cond_wait被设计为带有mutex参数,用一次函数调用pthread_cond_wait(cond, mtex)即可实现以上三条语句的功能。
使用pthread_cond_wait(cond, mutex)解决生产者和消费者问题的代码如下:
// 生产者线程执行的流程void producer_loop(){ int i; // 生产CAPACITY*2个数据 for (i = 0; i < CAPACITY*2; i++) { pthread_mutex_lock(&mutex); // 当缓冲区为满时,生产者需要等待 while (buffer_is_full()) { // 当前线程已经持有了mutex,首先释放mutex,然后阻塞,醒来后再次获取mutex pthread_cond_wait(&cond, &mutex); } // 此时,缓冲区肯定不是满的,向缓冲区写数据 buffer_put(i); pthread_mutex_unlock(&mutex); // 缓冲区的状态发生了变化,唤醒其它的生产者或消费者 pthread_cond_signal(&cond); }}// 消费者线程执行的流程void consumer_loop(){ int i; // 消费CAPACITY*2个数据 for (i = 0; i < CAPACITY*2; i++) { pthread_mutex_lock(&mutex); // 当缓冲区为空时,消费者需要等待 while (buffer_is_empty()) { // 当前线程已经持有了mutex,首先释放mutex,然后阻塞,醒来后再次获取mutex pthread_cond_wait(&cond, &mutex); } // 此时,缓冲区肯定不是空的,从缓冲区取数据 int item = buffer_get(); pthread_mutex_unlock(&mutex); // 缓冲区的状态发生了变化,唤醒其它的生产者或消费者 pthread_cond_signal(&cond); }}
延伸阅读1:pthread_cond_wait()函数简介
pthread_cond_wait() 用于阻塞当前线程,等待别的线程使用pthread_cond_signal()或pthread_cond_broadcast来唤醒它。 pthread_cond_wait() 必须与pthread_mutex配套使用。pthread_cond_wait()函数一进入wait状态就会自动release mutex。当其他线程通过pthread_cond_signal()或pthread_cond_broadcast,把该线程唤醒,使pthread_cond_wait()通过(返回)时,该线程又自动获得该mutex。

相关推荐HOT
更多>>
python中ndarray与list转换的方法
python中ndarray与list转换的方法在python数据类型中,list元素可以任意类型组合,而ndarray元素类型必须相同,但是ndarray可以更方便的对多维...详情>>
2023-11-10 08:51:14
python中OrdereDict如何使用?
python中OrdereDict如何使用?我们在对数据进行处理时,如果能够使它们保存顺序的排序,那么用起来会非常的便利。不过字典本身就是没有顺序的,...详情>>
2023-11-10 07:05:00
python中如何使用scipy.fftpack模块计算快速傅里叶变换?
python中如何使用scipy.fftpack模块计算快速傅里叶变换?在编程中,快速傅里叶变换是工程中非常有价值的一类算法,它可以将时域和频域的信号相互...详情>>
2023-11-10 05:50:23
zip()函数如何在python中遍历多个列表?
zip()函数如何在python中遍历多个列表?下面我们就python中zip的说明、语法、使用注意点进行讲解,然后带来遍历多个列表的实例。1、说明zip()函...详情>>
2023-11-10 05:38:33热门推荐
python concat函数有何用法?
沸python里函数装饰器怎么使用?
热如何实现python中的continue语句?
热python中的冒泡排序是什么?
新python中str函数是什么
如何使用python实现项目进度显示?
python中ndarray与list转换的方法
python复制文件的方法整理
Python中numpy数组如何添加元素
python有几种可视化图形库?
python中xlwings是什么?
python上下文管理器的基本介绍
Python自动化测试基础必备知识点一
python中OrdereDict如何使用?
技术干货






