Linux多線程編程下的條件變數

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Condition Variable (條件變數) 

    也是一種用於同步的device. 允許一個進程（或線程）將自己掛起等待一個條件變數的狀態被改變.
    有下列幾個函數:

    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);

    我想看看名字就可以知道它們的用途了. 通常我們也使用靜態變數來初始化一個條件變數.
    Example:
    pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
   
    pthread_cond_signal 用於喚醒一個被鎖定的線程.
    pthread_cond_broadcast 用於喚醒所有被鎖定的線程.
    pthread_cond_wait 用於等待.

    為瞭解決競爭問題(即一個線程剛要去wait而另一個線程已經signal了), 它要與一個mutex連用.

    看一看下面的典型的例子。假設x、y這兩個變數被多個線程共用，我們希望這個線程一直等到x和y相等才繼續執行這個線程。典型的忙等待方法如下(這是一個錯誤的方法)：

while( x != y );

 

下面是使用條件變數正確的方法：


pthread_mutex_t mut = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

//Waiting until X is the same as 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);

    pthread_cond_wait的執行過程如下:
    1. 首先, 它unlock the mutex, then 掛起當前的線程.
    2. 當被喚醒的時候, 它會lock the mutex.

    這樣就保證了這是一個臨界區.

PS：轉載：http://www.duangw.net/computer/history/pthread/condition.html
條件變數索引：

1. 初始化條件變數pthread_cond_init
2. 阻塞在條件變數上pthread_cond_wait
3. 解除在條件變數上的阻塞pthread_cond_signal
4. 阻塞直到指定時間pthread_cond_timedwait
5. 釋放阻塞的所有線程pthread_cond_broadcast
6. 釋放條件變數pthread_cond_destroy
7. 喚醒丟失問題

1.初始化條件變數pthread_cond_init

#include <pthread.h>
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cv,
const pthread_condattr_t *cattr);
傳回值：函數成功返回0；任何其他傳回值都表示錯誤

初始化一個條件變數。當參數cattr為空白指標時，函數建立的是一個預設的條件變數。否則條件變數的屬性將由cattr中的屬性值來決定。調用 pthread_cond_init函數時，參數cattr為空白指標等價於cattr中的屬性為預設屬性，只是前者不需要cattr所佔用的記憶體開銷。這個函數返回時，條件變數被存放在參數cv指向的記憶體中。

可以用宏PTHREAD_COND_INITIALIZER來初始化靜態定義的條件變數，使其具有預設屬性。這和用pthread_cond_init函數動態分配的效果是一樣的。初始化時不進行錯誤檢查。如：

pthread_cond_t cv = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

不能由多個線程同時初始化一個條件變數。當需要重新初始化或釋放一個條件變數時，應用程式必須保證這個條件變數未被使用。

 

2.阻塞在條件變數上pthread_cond_wait

#include <pthread.h>
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cv,
pthread_mutex_t *mutex);
傳回值：函數成功返回0；任何其他傳回值都表示錯誤

函數將解鎖mutex參數指向的互斥鎖，並使當前線程阻塞在cv參數指向的條件變數上。

被阻塞的線程可以被pthread_cond_signal函數，pthread_cond_broadcast函數喚醒，也可能在被訊號中斷後被喚醒。

pthread_cond_wait函數的返回並不意味著條件的值一定發生了變化，必須重新檢查條件的值。

pthread_cond_wait函數返回時，相應的互斥鎖將被當前線程鎖定，即使是函數出錯返回。

一般一個條件運算式都是在一個互斥鎖的保護下被檢查。當條件運算式未被滿足時，線程將仍然阻塞在這個條件變數上。當另一個線程改變了條件的值並向條件變數發出訊號時，等待在這個條件變數上的一個線程或所有線程被喚醒，接著都試圖再次佔有相應的互斥鎖。

阻塞在條件變數上的線程被喚醒以後，直到pthread_cond_wait()函數返回之前條件的值都有可能發生變化。所以函數返回以後，在鎖定相應的互斥鎖之前，必須重新測試條件值。最好的測試方法是迴圈調用pthread_cond_wait函數，並把滿足條件的運算式置為迴圈的終止條件。如：

pthread_mutex_lock();
while (condition_is_false)
pthread_cond_wait();
pthread_mutex_unlock();

阻塞在同一個條件變數上的不同線程被釋放的次序是不一定的。

注意：pthread_cond_wait()函數是退出點，如果在調用這個函數時，已有一個掛起的退出請求，且線程允許退出，這個線程將被終止並開始執行善後處理函數，而這時和條件變數相關的互斥鎖仍將處在鎖定狀態。

 

3.解除在條件變數上的阻塞pthread_cond_signal

#include <pthread.h>
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cv);
傳回值：函數成功返回0；任何其他傳回值都表示錯誤

函數被用來釋放被阻塞在指定條件變數上的一個線程。

必須在互斥鎖的保護下使用相應的條件變數。否則對條件變數的解鎖有可能發生在鎖定條件變數之前，從而造成死結。

喚醒阻塞在條件變數上的所有線程的順序由調度策略決定，如果線程的調度策略是SCHED_OTHER類型的，系統將根據線程的優先順序喚醒線程。

如果沒有線程被阻塞在條件變數上，那麼調用pthread_cond_signal()將沒有作用。

 

4.阻塞直到指定時間pthread_cond_timedwait

#include <pthread.h>
#include <time.h>
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cv,
pthread_mutex_t *mp, const structtimespec * abstime);
傳回值：函數成功返回0；任何其他傳回值都表示錯誤

函數到了一定的時間，即使條件未發生也會解除阻塞。這個時間由參數abstime指定。函數返回時，相應的互斥鎖往往是鎖定的，即使是函數出錯返回。

注意：pthread_cond_timedwait函數也是退出點。

逾時時間參數是指一天中的某個時刻。使用舉例：

pthread_timestruc_t to;
to.tv_sec = time(NULL) + TIMEOUT;
to.tv_nsec = 0;

逾時返回的錯誤碼是ETIMEDOUT。

 

5.釋放阻塞的所有線程pthread_cond_broadcast

#include <pthread.h>
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cv);
傳回值：函數成功返回0；任何其他傳回值都表示錯誤

函數喚醒所有被pthread_cond_wait函數阻塞在某個條件變數上的線程，參數cv被用來指定這個條件變數。當沒有線程阻塞在這個條件變數上時，pthread_cond_broadcast函數無效。

由於pthread_cond_broadcast函數喚醒所有阻塞在某個條件變數上的線程，這些線程被喚醒後將再次競爭相應的互斥鎖，所以必須小心使用pthread_cond_broadcast函數。

 

6.釋放條件變數pthread_cond_destroy

#include <pthread.h>
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cv);
傳回值：函數成功返回0；任何其他傳回值都表示錯誤

釋放條件變數。

注意：條件變數佔用的空間並未被釋放。

 

7.喚醒丟失問題

線上程未獲得相應的互斥鎖時調用pthread_cond_signal或pthread_cond_broadcast函數可能會引起喚醒丟失問題。

喚醒丟失往往會在下面的情況下發生：

1. 一個線程調用pthread_cond_signal或pthread_cond_broadcast函數；
2. 另一個線程正處在測試條件變數和調用pthread_cond_wait函數之間；
3. 沒有線程正在處在阻塞等待的狀態下。

來自：http://blog.chinaunix.net/u/16292/showart_1820604.html