【Linux C | 多线程编程】线程同步 | 条件变量(万字详解)

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⏰发布时间⏰：2024-04-15 08:58:04

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🎄一、概述

多线程编程中，涉及到线程并发，因此也衍生了一些问题，常见的有2类问题：

• 1、多个线程访问同一个共享资源，这个可以用上篇文章 线程同步|互斥量的介绍和使用 介绍的互斥量来解决；
• 2、某些线程运行后，有时需要等待一定的条件才会继续执行，如果条件不满足就会等待，而条件的达成， 很可能取决于另一个线程。

本文要介绍的条件变量主要是解决上面的第二个问题。条件变量用来阻塞一个线程，直到某条件满足为止。通常条件变量和互斥锁同时使用。

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）。

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🎄二、为什么需要条件变量

因为如果不使用条件变量，线程就需要 轮询+休眠 来查看是否满足条件，这样严重影响效率。

下面是不使用条件变量的代码：
1、创建一个线程作为生产者，一秒生成一个产品；
2、创建两个线程作为消费者，分别一秒消耗一个产品，此时消费者线程 不得不每隔一秒就查询是否有数据；
3、需要添加"linux_list.h"头文件，文件在下面会给出，它是Linux内核使用的一个链表。需要了解使用方法的，可以看这文章【数据结构】list.h 详细使用教程

// 09_producer_consumer.c
// gcc 09_producer_consumer.c -lpthread
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include "linux_list.h"#define  COMSUMER_NUM	2typedef struct _product
{struct list_head list_node;int product_id;
}product_t;struct list_head productList;// 头结点
pthread_mutex_t product_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;	// productList 的互斥量// 生产者线程，1秒生成一个产品放到链表
void *th_producer(void *arg)
{int id = 0;while(1){product_t *pProduct = (product_t*)malloc(sizeof(product_t));pProduct->product_id = id++;pthread_mutex_lock(&product_mutex);list_add_tail(&pProduct->list_node, &productList);pthread_mutex_unlock(&product_mutex);sleep(1);}return NULL;
}// 消费者线程，1秒消耗掉一个产品
void *th_consumer(void *arg)
{while(1){pthread_mutex_lock(&product_mutex);if(!list_empty(&productList)) // 不为空，则取出一个{product_t* pProduct = list_entry(productList.next, product_t, list_node);// 获取第一个节点printf("consumer[%d] get product id=%d\n", *((int*)arg), pProduct->product_id);list_del(productList.next); // 删除第一个节点free(pProduct);}pthread_mutex_unlock(&product_mutex);sleep(1);}return NULL;
}int main()
{INIT_LIST_HEAD(&productList);	// 初始化链表// 创建生产者线程pthread_t producer_thid;pthread_create(&producer_thid, NULL, th_producer, NULL);// 创建消费者线程pthread_t consumer_thid[COMSUMER_NUM];int i=0, num[COMSUMER_NUM]={0,};for(i=0; i<COMSUMER_NUM; i++){num[i] = i;pthread_create(&consumer_thid[i], NULL, th_consumer, &num[i]);}// 等待线程pthread_join(producer_thid, NULL);for(i=0; i<COMSUMER_NUM; i++){pthread_join(consumer_thid[i], NULL);}return 0;
}

下面是"linux_list.h"的头文件：

// my_list.h 2023-09-24 23:07:43
#ifndef _LINUX_LIST_H
#define _LINUX_LIST_Hstruct list_head {struct list_head *next, *prev;
};#define INIT_LIST_HEAD(ptr) do { \(ptr)->next = (ptr); (ptr)->prev = (ptr); \
} while (0)/*** list_empty - tests whether a list is empty* @head: the list to test.*/
static inline int list_empty(const struct list_head *head)
{return head->next == head;
}/** Insert a new entry between two known consecutive entries.** This is only for internal list manipulation where we know* the prev/next entries already!*/
static inline void __list_add(struct list_head *new_node,struct list_head *prev,struct list_head *next)
{next->prev = new_node;new_node->next = next;new_node->prev = prev;prev->next = new_node;
}/*** list_add - add a new entry* @new: new entry to be added* @head: list head to add it after** Insert a new entry after the specified head.* This is good for implementing stacks.*/
static inline void list_add(struct list_head *new_node, struct list_head *head)
{__list_add(new_node, head, head->next);
}/*** list_add_tail - add a new entry* @new: new entry to be added* @head: list head to add it before** Insert a new entry before the specified head.* This is useful for implementing queues.*/
static inline void list_add_tail(struct list_head *new_node, struct list_head *head)
{__list_add(new_node, head->prev, head);
}/** Delete a list entry by making the prev/next entries* point to each other.** This is only for internal list manipulation where we know* the prev/next entries already!*/
static inline void __list_del(struct list_head * prev, struct list_head * next)
{next->prev = prev;prev->next = next;
}/*** list_del - deletes entry from list.* @entry: the element to delete from the list.* Note: list_empty on entry does not return true after this, the entry is* in an undefined state.*/
static inline void list_del(struct list_head *entry)
{__list_del(entry->prev, entry->next);//entry->next = (struct list_head *)LIST_POISON1;//entry->prev = (struct list_head *)LIST_POISON2;
}#ifndef offsetof
#define offsetof(type, f) ((size_t) \((char *)&((type *)0)->f - (char *)(type *)0))
#endif#ifndef container_of
#define container_of(ptr, type, member) ({ \const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr);\(type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})
#endif/*** list_entry - get the struct for this entry* @ptr:	the &struct list_head pointer.* @type:	the type of the struct this is embedded in.* @member:	the name of the list_struct within the struct.*/
#define list_entry(ptr, type, member) \container_of(ptr, type, member)#ifndef ARCH_HAS_PREFETCH
static inline void prefetch(const void *x) {;}
#endif/*** list_for_each	-	iterate over a list* @pos:	the &struct list_head to use as a loop counter.* @head:	the head for your list.*/
#define list_for_each(pos, head) \for (pos = (head)->next; prefetch(pos->next), pos != (head); \pos = pos->next)/*** list_for_each_safe	-	iterate over a list safe against removal of list entry* @pos:	the &struct list_head to use as a loop counter.* @n:		another &struct list_head to use as temporary storage* @head:	the head for your list.*/
#define list_for_each_safe(pos, n, head) \for (pos = (head)->next, n = pos->next; pos != (head); \pos = n, n = pos->next)/*** list_for_each_entry	-	iterate over list of given type* @pos:	the type * to use as a loop counter.* @head:	the head for your list.* @member:	the name of the list_struct within the struct.*/
#define list_for_each_entry(pos, head, member)				\for (pos = list_entry((head)->next, typeof(*pos), member);	\prefetch(pos->member.next), &pos->member != (head); 	\pos = list_entry(pos->member.next, typeof(*pos), member))#endif //_LINUX_LIST_H

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🎄三、条件变量相关函数

这小节先介绍条件变量的相关函数接口，条件变量都是要结合互斥量一起使用的，具体用法在下个小节介绍。

✨3.1 条件变量的初始化

POSIX提供了两种初始化条件变量的方法。

• 1、是将PTHREAD_COND_INITIALIZER赋值给定义的条件变量，如下：

  #include <pthread.h>
  pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
  

  但这个方法没办法设置条件变量的属性，也不适用于动态分配的条件变量。

• 2、使用 pthread_cond_init 初始化条件变量。如下：

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

  第二个pthread_condattr_t指针的入参，是用来设定条件变量的属性的。大部分情况下，并不需要设置条件变量的属性，传递NULL即可，表示使用条件变量的默认属性。

注意：永远不要用一个条件变量对另一个条件变量赋值， 即pthread_cond_t cond_b=cond_a不合法， 这种行为是未定义的。

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✨3.2 条件变量的销毁

使用pthread_cond_init初始化的条件变量，在确定不再使用的时候， 就要销毁它。 在销毁之前， 有三点需要注意：
1、使用PTHREAD_COND_INITIALIZE静态初始化的条件变量，不需要被销毁。
2、要调用pthread_cond_destroy销毁的条件变量可以调用pthread_cond_init重新进行初始化。
3、不要引用已经销毁的条件变量， 这种行为是未定义的。

销毁条件变量的接口如下：

#include <pthread.h>
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

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✨3.3 条件变量的等待

条件变量就是为了与某个条件关联起来使用的，如果条件不满足，就等待(pthread_cond_wait) ，或者等待一段有限的时间(pthread_cond_timedwait) 。POSIX提供了如下条件变量的等待接口：

#include <pthread.h>
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex);
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex,const struct timespec *restrict abstime);

函数描述：这两个函数都是让指定的条件变量进入等待状态，其工作机制是先解锁传入的互斥量，再让条件变量等待，从而使所在线程处于阻塞状态。这两个函数返回时，系统会确保该线程再次持有互斥量(加锁)。

两个函数的区别：pthread_cond_wait函数调用成功后，会一直阻塞等待，直到条件变量被唤醒。而 pthread_cond_timedwait 函数只会等待指定的时间，时间到了之后，条件变量仍未被唤醒的话，会返回一个错误码ETIMEDOUT，该错误码定义在<errno.h>头文件。

注意：pthread_cond_timedwait指定的时间是绝对时间，而不是相对时间。如果最多等待2分钟，那么这个值应该是当前时间加上2分钟。使用方法可以参考下面代码

struct timeval now;
struct timespec outtime;
memset(&outtime,0,sizeof(outtime));
memset(&now,0,sizeof(now));gettimeofday(&now, NULL);
outtime.tv_sec = now.tv_sec + sec;
outtime.tv_nsec = now.tv_usec * 1000;// pthread_cond_timedwait 执行后，先加锁pMutex、再等待；被唤醒后会加锁pMutex
if(pthread_cond_timedwait(pCond, pMutex, &outtime) == ETIMEDOUT)
{ret = -1;
}

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✨3.4 条件变量的唤醒

上面说完了条件等待，接下来介绍条件变量的唤醒。调用完条件变量等待函数的线程处于阻塞状态，若要被唤醒，必须是其他线程来唤醒。POSIX提供了如下两个接口来唤醒指定的条件变量：

#include <pthread.h>
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

pthread_cond_signal 负责唤醒等待在条件变量上的一个线程，如果有多个线程等待，是唤醒哪一个呢？Linux内核会为每个条件变量维护一个等待队列，调用了 pthread_cond_wait 或 pthread_cond_timedwait 的线程会按照调用时间先后添加到该队列中。pthread_cond_signal会唤醒该队列的第一个。

pthread_cond_broadcast，就是广播唤醒等待在条件变量上的所有线程。前面说过，条件等待的两个函数返回时，系统会确保该线程再次持有互斥量(加锁)，所有，这里被唤醒的所有线程都会去争夺互斥锁，没抢到的线程会继续等待，拿到锁后同样会从条件等待函数返回。所以，被唤醒的线程第一件事就是再次判断条件是否满足！

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🎄四、条件变量的使用

要清楚条件变量怎样使用？就是要弄清楚条件变量的怎样初始化、销毁、等待、唤醒。通过上个小节的学习，条件变量初始化、销毁应该都可以弄懂，而条件变量的等待、唤醒都使用到互斥量，会显得比较复杂，刚学习时总会不清楚这个互斥量应该锁在哪个位置，也容易被 条件等待 的机制弄晕，这小节就看看写代码时，怎样写条件变量的等待、唤醒。

✨4.1 条件等待的使用

条件变量的等待函数都会用到两个参数，一个是条件变量指针，另一个是互斥量指针。其中，条件变量指针比较好理解，直接把初始化好的条件变量指针传入即可。而互斥量指针参数要求传入一个互斥量地址，那这个互斥量在哪里加锁，哪里解锁呢？

一般情况下，在调用条件等待(pthread_cond_wait)函数之前，会判断条件是否满足，不满足的话才进入条件等待。而这个条件是需要其他线程来使其满足的，这里就出现了多个线程访问共享资源，为了安全地获取和修改共享数据，就需要一个互斥量来同步。到这里可以得出，访问与条件相关的共享资源时，会有一个互斥量锁住这个访问的临界区。那这个互斥量 和 pthread_cond_wait需要的互斥量是不是同一个呢？为什么？假设这两个互斥量不是同一个的话，就会出现一个问题，在判断完条件之后，调用pthread_cond_wait之前，可能条件被修改为满足了，这显然不是我们想要的，我们需要的是“判断条件、不满足就等待”这两个操作直接不会被其他线程干扰到。

所以，使用条件变量等待时，会使用一个互斥量进行加锁，加锁的临界区包含了“①查看是否满足条件、②调用pthread_cond_wait进入条件等待”这两个操作。

🌰举例子：
1、productList是判断条件需要用到的共享资源；
2、product_mutex 是操作时用于加锁的互斥量 productList；
3、product_cond 是条件变量

pthread_mutex_lock(&product_mutex);
while(list_empty(&productList)) // 条件不满足
{pthread_cond_wait(&product_cond, &product_mutex);
}
// 不为空，则取出一个
pthread_mutex_unlock(&product_mutex);

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✨4.2 条件唤醒的使用

上面介绍了怎么等待了，那唤醒等待条件就需要另一个线程在操作，这个线程在唤醒之前肯定是要有一个操作令前面等待的条件满足的，然后才是唤醒(pthread_cond_signal)。修改条件，肯定也是被互斥量加锁保护的，那唤醒是放在互斥量加锁的临界区内还是临界区外呢？答案是都可以，但放在临界区外，会效率更高。

从前面知道，pthread_cond_wait函数返回时，系统会确保该线程再次持有互斥量(加锁)。也就是说，条件等待的线程被唤醒后会再次对互斥量加锁。知道这点后，再看上面说的两个情况。

唤醒(pthread_cond_signal)在临界区内的代码如下，会出现线程被唤醒了，并没能第一时间获取到互斥量，需要等到下面第4行执行后，才获取到互斥量，所以效率低一点。

thread_mutex_lock(&product_mutex);
list_add_tail(&pProduct->list_node, &productList); // 改变了条件
pthread_cond_signal(&product_cond);
pthread_mutex_unlock(&product_mutex);

唤醒(pthread_cond_signal)在临界区外的代码如下，因为先解锁了条件变量，所以

thread_mutex_lock(&product_mutex);
list_add_tail(&pProduct->list_node, &productList); // 改变了条件
pthread_mutex_unlock(&product_mutex);
pthread_cond_signal(&product_cond);

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✨4.3 条件变量使用例子

下面是第二小节的例子使用了条件变量的代码，可以看到不需要sleep来休眠了。

// 09_producer_consumer_cond.c
// gcc 09_producer_consumer_cond.c -lpthread
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include "linux_list.h"#define  COMSUMER_NUM	2typedef struct _product
{struct list_head list_node;int product_id;
}product_t;struct list_head productList;// 头结点
pthread_mutex_t product_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;	// productList 的互斥量
pthread_cond_t  product_cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;	// 条件变量// 生产者线程，1秒生成一个产品放到链表
void *th_producer(void *arg)
{int id = 0;while(1){product_t *pProduct = (product_t*)malloc(sizeof(product_t));pProduct->product_id = id++;pthread_mutex_lock(&product_mutex);list_add_tail(&pProduct->list_node, &productList);pthread_cond_signal(&product_cond);pthread_mutex_unlock(&product_mutex);sleep(1);}return NULL;
}// 消费者线程，1秒消耗掉一个产品
void *th_consumer(void *arg)
{while(1){pthread_mutex_lock(&product_mutex);while(list_empty(&productList)) // 条件不满足{pthread_cond_wait(&product_cond, &product_mutex);}// 不为空，则取出一个product_t* pProduct = list_entry(productList.next, product_t, list_node);// 获取第一个节点printf("consumer[%d] get product id=%d\n", *((int*)arg), pProduct->product_id);list_del(productList.next); // 删除第一个节点free(pProduct);pthread_mutex_unlock(&product_mutex);}return NULL;
}int main()
{INIT_LIST_HEAD(&productList);	// 初始化链表// 创建生产者线程pthread_t producer_thid;pthread_create(&producer_thid, NULL, th_producer, NULL);// 创建消费者线程pthread_t consumer_thid[COMSUMER_NUM];int i=0, num[COMSUMER_NUM]={0,};for(i=0; i<COMSUMER_NUM; i++){num[i] = i;pthread_create(&consumer_thid[i], NULL, th_consumer, &num[i]);}// 等待线程pthread_join(producer_thid, NULL);for(i=0; i<COMSUMER_NUM; i++){pthread_join(consumer_thid[i], NULL);}return 0;
}

🎄五、总结

本文介绍了Linux多线程编程中常见的条件变量，先是介绍了条件变量相关接口函数，然后介绍了怎么使用条件变量，最后给出了使用条件变量的例子。

学习完上面的内容，看看是否知道下面几个问题的答案：
1、为什么需要条件变量？
2、条件变量为什么需要和互斥量一起使用？
3、pthread_cond_wait函数做了什么操作？
4、既然互斥量和条件变量关系如此紧密，为什么不干脆将互斥量变成条件变量的一部分呢？
5、互斥量加锁的临界区应该包含哪些操作？
6、先唤醒后解锁，还是先解锁后唤醒？
7、为什么条件等待时，使用while来判断条件，而不是用if ？

while(list_empty(&productList)) // 条件不满足
{pthread_cond_wait(&product_cond, &product_mutex);
}

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