概念

線程同步的方法有多種惶看，互斥量、信號(hào)量六孵、條件變量纬黎、讀寫鎖等〗僦希互斥量在允許或阻塞對(duì)臨界區(qū)的訪問上是很有效的本今，線程是在對(duì)已加鎖的互斥量加鎖時(shí)發(fā)生阻塞；條件變量則允許線程由于一些未達(dá)到的條件而阻塞主巍，此處的“條件”可以由用戶來定義冠息，在訪問該條件時(shí)需要加鎖（互斥量），如果條件沒達(dá)到孕索，線程將阻塞在該條件上逛艰。
條件變量特別適用于多個(gè)線程等待某個(gè)條件的發(fā)生。如果不使用條件變量搞旭，那么每個(gè)線程就需要不斷嘗試獲得互斥鎖并檢查條件是否發(fā)生散怖，這樣大大浪費(fèi)了系統(tǒng)的資源菇绵。

條件變量與互斥量通常一起使用，原因是線程在因條件未滿足而阻塞并等待前镇眷，需要訪問“條件”咬最，而“條件”是允許其它線程修改的，因此欠动，訪問“條件”時(shí)需要加鎖永乌，訪問結(jié)束后釋放鎖。所以具伍，這也就可以解釋翅雏，條件變量的等待操作pthread_cond_wait()需要一個(gè)互斥量參數(shù)，在pthread_cond_wait()內(nèi)部將調(diào)用線程放到等待隊(duì)列上后沿猜，要解鎖互斥量枚荣，以讓其它線程可以訪問“條件”；否則啼肩，該線程將一直占用互斥量橄妆，其它線程將不能訪問“條件”。不過祈坠，pthread_cond_wait()內(nèi)的解鎖互斥量只是臨時(shí)的害碾，在其它線程修改“條件”使其滿足要求并喚醒當(dāng)前阻塞線程時(shí)，pthread_cond_wait()內(nèi)部又會(huì)鎖住互斥量赦拘，這樣做的目的是：

1. 使互斥量的狀態(tài)在進(jìn)入慌随、退出pthread_cond_wait()函數(shù)時(shí)保持一致；
2. 本身“判斷‘條件’是否滿足要求躺同，否則阻塞并等待‘條件’”這部分程序?qū)儆谂R界區(qū)阁猜，在訪問臨界區(qū)前對(duì)互斥量加鎖，退出臨界區(qū)后對(duì)互斥量解鎖是應(yīng)有的操作蹋艺，也就是說剃袍，真正地釋放互斥量鎖的操作在退出臨界區(qū)后；所以捎谨，在pthread_cond_wait()函數(shù)結(jié)束時(shí)民效，應(yīng)保持互斥量的加鎖狀態(tài)；

通常涛救，“判斷‘條件’是否滿足要求畏邢，否則阻塞并等待‘條件’”這部分臨界區(qū)代碼中的“判斷‘條件’”采用while循環(huán)來做，因?yàn)閜thread_cond_wait()在阻塞并等待的過程中检吆，“條件”滿足要求后舒萎，其它線程會(huì)調(diào)用pthread_cond_signal()或pthread_cond_broadcast()喚醒阻塞線程，在pthread_cond_wait()將其從阻塞隊(duì)列放到就緒隊(duì)列及pthread_cond_wait()重新獲取互斥鎖之間蹭沛，其它線程有可能又改變了“條件”逆甜，使得此時(shí)的“條件”已不再滿足要求虱肄；因此，若不采用while()循環(huán)判斷“條件”是否成立交煞，在阻塞線程被喚醒之后咏窿，它以為“條件”滿足要求，實(shí)際上已經(jīng)被其它線程修改了素征。

當(dāng)其它線程修改了“條件”使之滿足要求后集嵌，會(huì)調(diào)用pthread_cond_signal()或pthread_cond_broadcast()發(fā)送信號(hào)，發(fā)送信號(hào)的步驟順序有兩種：

• 順序一
  1. 調(diào)用pthread_mutex_lock()對(duì)互斥量加鎖御毅；
  2. 改變條件使之滿足要求根欧；
  3. 向阻塞并等待條件的線程發(fā)送信號(hào)（比如調(diào)用pthread_cond_broadcast()）；
  4. 調(diào)用pthread_mutex_unlock()對(duì)互斥量解鎖端蛆；
• 順序二
  1. 調(diào)用pthread_mutex_lock()對(duì)互斥量加鎖凤粗；
  2. 改變條件使之滿足要求；
  3. 調(diào)用pthread_mutex_unlock()對(duì)互斥量解鎖今豆；
  4. 向阻塞并等待條件的線程發(fā)送信號(hào)（比如調(diào)用pthread_cond_broadcast()）嫌拣；

這兩種步驟順序都可以，但都存在一些不足呆躲。在順序一中异逐，發(fā)送條件成立信號(hào)的步驟在對(duì)互斥量解鎖之前，也就是發(fā)送線程仍是占有鎖的插掂，當(dāng)阻塞線程收到信號(hào)后結(jié)束休眠灰瞻，但pthread_cond_wait()在退出之前會(huì)對(duì)互斥量重新加鎖，可發(fā)送信號(hào)的線程尚未釋放鎖辅甥，所以剛結(jié)束休眠的阻塞線程酝润，對(duì)互斥量加鎖又導(dǎo)致阻塞了；在順序二中璃弄，發(fā)送條件成立信號(hào)的步驟在對(duì)互斥量解鎖之后要销，此時(shí)發(fā)送信號(hào)時(shí)，發(fā)送線程已經(jīng)解鎖互斥量谢揪，但在剛解鎖互斥量之后蕉陋，有可能其它線程在發(fā)送線程發(fā)送信號(hào)之前捐凭，成功對(duì)互斥量加鎖拨扶，拿到了“條件”的訪問權(quán)，因此茁肠，可以修改“條件”患民，這樣一來，使得“條件”不再滿足阻塞線程的要求垦梆，但發(fā)送線程不知道匹颤，仍會(huì)調(diào)用pthread_cond_broadcast()發(fā)送信號(hào)仅孩，阻塞線程收到信號(hào)后被喚醒，可此時(shí)的“條件”是不滿足要求的印蓖，這一點(diǎn)可以通過while循環(huán)判斷“條件”是否成立來修正辽慕，即便阻塞線程被喚醒，但它仍會(huì)判斷“條件”是否成立赦肃，不成立則繼續(xù)阻塞等待溅蛉。

實(shí)例 - 讀寫鎖的實(shí)現(xiàn)

目標(biāo)

通過線程通信原語實(shí)現(xiàn)讀寫鎖，讀寫鎖的要求：

1. 同一時(shí)間他宛，允許多個(gè)讀者讀取數(shù)據(jù)船侧；
2. 同一時(shí)間，只有一個(gè)寫者寫數(shù)據(jù)厅各；
3. 寫優(yōu)先級(jí)比讀優(yōu)先級(jí)高镜撩。

分析

最簡(jiǎn)單的讀寫鎖實(shí)現(xiàn)

最簡(jiǎn)單的讀寫鎖實(shí)現(xiàn)如下，只用一個(gè)互斥量表示讀寫鎖队塘，任何讀操作或?qū)懖僮鞫急仨毾葘?duì)互斥量加鎖袁梗，在讀、寫完畢之后人灼，再釋放鎖围段。這樣實(shí)現(xiàn)的讀寫鎖雖然能保證讀和寫是互斥的，但有如下弊端：

1. 讀操作之間也是互相排斥的投放，由于多個(gè)讀操作并不會(huì)改變共享區(qū)的內(nèi)容奈泪，所以這樣加鎖再釋放鎖的讀寫鎖實(shí)現(xiàn)，大大降低了讀取的效率灸芳；
2. 無法保證寫操作的優(yōu)先級(jí)高于讀操作涝桅，下面的這種實(shí)現(xiàn)方式將讀、寫放到了同一層級(jí)上烙样，訪問共享區(qū)的操作權(quán)取決于誰先對(duì)互斥量成功加鎖冯遂。

pthread_mutex_t rw_lock;
int rw_lock_init(pthread_mutex_t* prw_lock)
{
  pthread_mutex_init(prw_lock, NULL);
  return 0;
}

int rw_lock_lock(pthread_mutex_t* prw_lock)
{
  pthread_mutex_lock(prw_lock);
  return 0;
}

int rw_lock_unlock(pthread_mutex_t* prw_lock)
{
  pthread_mutex_unlock(prw_lock);
  return 0;
}

優(yōu)化方法

互斥鎖的目的，是為了避免出現(xiàn)如下競(jìng)爭(zhēng)條件：一個(gè)線程在未完成讀操作之前谒获，另一個(gè)線程寫操作改變了數(shù)據(jù)蛤肌，或者多個(gè)線程同時(shí)進(jìn)行寫操作；而在多個(gè)讀操作之間是沒有必要互斥的批狱。解決方式是引入對(duì)“讀者數(shù)量”的計(jì)數(shù)裸准。

讀寫鎖優(yōu)化一 - 讀操作之間共享

第一次優(yōu)化之后的讀寫鎖實(shí)現(xiàn)如下，引入了對(duì)“讀者數(shù)量”的計(jì)數(shù)赔硫，由于“讀者數(shù)量”是動(dòng)態(tài)變化的炒俱，由讀者間共享，屬共享變量，所以加入reader_mutex互斥量對(duì)其保護(hù)权悟，以保證讀者對(duì)其訪問的互斥砸王；寫者之間、讀者與寫者之間通過write_mutex達(dá)到互斥峦阁。當(dāng)讀者調(diào)用讀鎖加鎖操作時(shí)谦铃，首先判斷調(diào)用者是否是第一個(gè)讀者，若是榔昔，則對(duì)寫鎖加鎖荷辕；若不是第一個(gè)讀者，即前面仍有多個(gè)讀者件豌，則在釋放reader_mutex后直接訪問共享數(shù)據(jù)疮方。這樣做的結(jié)果是，在第一個(gè)讀者讀取共享數(shù)據(jù)前茧彤，對(duì)寫鎖加鎖骡显，導(dǎo)致讀寫之間互斥，之后的讀者再讀取共享數(shù)據(jù)時(shí)曾掂，便不用再因等待寫鎖而阻塞（“最簡(jiǎn)單的讀寫鎖”方法）惫谤，即讀者之間是不互斥的，可以有多個(gè)讀者訪問共享數(shù)據(jù)珠洗。
但這樣的讀寫鎖實(shí)現(xiàn)溜歪，仍有一個(gè)弊端：無法保證寫操作的優(yōu)先級(jí)高于讀操作，當(dāng)有大量讀者訪問共享數(shù)據(jù)時(shí)许蓖，寫者想對(duì)共享數(shù)據(jù)寫入蝴猪，必須等到所有讀者退出之后，才得以操作膊爪，出現(xiàn)“寫者饑餓”的情況自阱。

typedef struct rw_lock_t
{
  pthread_mutex_t reader_mutex;
  pthread_mutex_t write_mutex;
  int reader_counts;
} rw_lock;

int rw_lock_init(rw_lock* prw_lock)
{
  pthread_mutex_init(&prw_lock->reader_mutex, NULL);
  pthread_mutex_init(&prw_lock->write_mutex, NULL);
  reader_counts = 0;
}

int rw_lock_read_lock(rw_lock* prw_lock)
{
  pthread_mutex_lock(&prw_lock->reader_mutex);
  if(0 == reader_counts++)
  {
    pthread_mutex_lock(&prw_lock->write_mutex);
  }
  pthread_mutex_unlock(&prw_lock->reader_mutex);
  return 0;
}

int rw_lock_read_unlock(rw_lock* prw_lock)
{
  pthread_mutex_lock(&prw_lock->reader_mutex);
  if(0 == --reader_counts)
  {
    pthread_mutex_unlock(&prw_lock->write_mutex);
  }
  pthread_mutex_unlock(&prw_lock->reader_mutex);
  return 0;
}

int rw_lock_write_lock(rw_lock* prw_lock)
{
  pthread_mutex_lock(&prw_lock->write_lock);
  return 0;
}

int rw_lock_write_unlock(rw_lock* prw_lock)
{
  pthread_mutex_unlock(&prw_lock->write_lock);
  return 0;
}

讀寫鎖優(yōu)化二 - 寫操作優(yōu)先級(jí)高于讀操作

深入分析

讀寫鎖要滿足的條件

1. 寫者的優(yōu)先級(jí)大于讀者
   這條規(guī)則主要體現(xiàn)讀者進(jìn)入共享區(qū)和寫者離開共享區(qū)的判斷流程。
   (1) 當(dāng)讀者進(jìn)入共享區(qū)時(shí)米酬，應(yīng)首先檢查是否有寫者阻塞沛豌，再檢查是否有寫者在寫，再檢查是否有讀者已在共享區(qū)赃额；只有沒有寫者阻塞或?qū)懻咴趯憰r(shí)加派，讀者才能進(jìn)入共享區(qū)；(2)當(dāng)寫者離開共享區(qū)時(shí)跳芳，應(yīng)首先檢查是否有寫者在阻塞芍锦，再檢查是否有讀者阻塞；只有沒有寫者阻塞時(shí)筛严，才能繼續(xù)對(duì)讀者是否阻塞做判斷醉旦；
2. 讀、寫之間互斥
   這條規(guī)則的含義是只要一方在共享區(qū)內(nèi)桨啃，另一方就必須阻塞车胡，不得進(jìn)入，只有等到在共享區(qū)內(nèi)的一方退出時(shí)照瘾，另一方才有機(jī)會(huì)進(jìn)入匈棘。
   (1) 當(dāng)讀者離開共享區(qū)時(shí)，應(yīng)首先檢查共享區(qū)內(nèi)的讀者是否已全部退出析命，若是主卫，再檢查是否有寫者在阻塞，若有鹃愤，則喚醒寫者（寫者阻塞有兩種原因?qū)е拢?. 有讀者正在共享區(qū)內(nèi)讀取數(shù)據(jù)簇搅，寫者需等到當(dāng)前讀者都退出后，再進(jìn)入共享區(qū)软吐；2. 當(dāng)前共享區(qū)內(nèi)正有寫者在寫瘩将，此時(shí)想進(jìn)入共享區(qū)的寫者需阻塞）；(2) 當(dāng)寫者進(jìn)入共享區(qū)時(shí)凹耙，首先檢查當(dāng)前共享區(qū)內(nèi)是否有讀者存在姿现，若有，則寫者應(yīng)阻塞肖抱；
3. 寫备典、寫之間互斥
   這條規(guī)則的含義是只要有寫者在共享區(qū)內(nèi)執(zhí)行寫操作，其它的寫者就必須在共享區(qū)外等待意述，直到當(dāng)前寫者退出后提佣，其它寫者才有機(jī)會(huì)。
   (1)當(dāng)寫者進(jìn)入共享區(qū)荤崇，且檢查了當(dāng)前共享區(qū)內(nèi)沒有讀者存在镐依，應(yīng)再檢查共享區(qū)內(nèi)是否有寫者在寫，若有天试，寫者應(yīng)阻塞槐壳；若沒有，寫者可直接進(jìn)入共享區(qū)喜每；
4. 讀务唐、讀之間共享
   這條規(guī)則的含義是即便當(dāng)前共享區(qū)內(nèi)有讀者在讀，其它讀者也是可以進(jìn)入到共享區(qū)內(nèi)的带兜，而不必阻塞枫笛。
   (1)當(dāng)讀者要進(jìn)入數(shù)據(jù)共享區(qū)時(shí)，如果沒有寫者阻塞和寫者在進(jìn)行寫操作刚照，則可以直接進(jìn)入共享區(qū)刑巧；

讀寫鎖的加鎖、解鎖流程

1. 讀加鎖流程
   讀者在進(jìn)入數(shù)據(jù)共享區(qū)時(shí)，應(yīng)首先檢查是否有寫者阻塞或共享區(qū)內(nèi)寫者是否在寫啊楚，兩者只要有其一吠冤，讀者阻塞數(shù)量應(yīng)累加，且當(dāng)前讀者應(yīng)阻塞恭理；若兩者皆沒有拯辙，讀者將共享區(qū)內(nèi)的讀者數(shù)目累加，然后直接進(jìn)入共享區(qū)颜价；
2. 讀解鎖流程
   讀者在離開數(shù)據(jù)共享區(qū)時(shí)涯保，共享區(qū)內(nèi)的讀者數(shù)目減1，并判斷值是否為0周伦，若是夕春，接著判斷是否有寫者在阻塞，若有专挪，則直接喚醒某個(gè)寫者撇他；若沒有寫者阻塞或共享區(qū)內(nèi)的讀者數(shù)目不為0，則直接退出共享區(qū)(注意：當(dāng)沒有寫者在寫或沒有寫者阻塞時(shí)狈蚤，讀者是不會(huì)阻塞的)困肩；
3. 寫加鎖流程
   寫者在進(jìn)入數(shù)據(jù)共享區(qū)時(shí)，首先判斷當(dāng)前共享區(qū)內(nèi)是否有讀者存在脆侮，若有锌畸，寫者阻塞數(shù)目累加，然后寫者阻塞靖避；若沒有潭枣，再接著判斷共享區(qū)內(nèi)是否有寫者在寫，若有幻捏，寫者阻塞數(shù)目累加盆犁，然后寫者阻塞；若沒有篡九，寫者將寫標(biāo)志置位谐岁，并進(jìn)入共享區(qū)；
4. 寫解鎖流程
   寫者在離開數(shù)據(jù)共享區(qū)時(shí)榛臼，首先將寫標(biāo)志清零伊佃，接著判斷是否有寫者在阻塞，若有沛善，則喚醒某個(gè)寫者航揉；若沒有，再判斷是否有讀者在阻塞金刁，若有帅涂，則喚醒所有讀者议薪；若沒有，則直接離開共享區(qū)媳友；

讀寫鎖的實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過上述分析斯议，在實(shí)現(xiàn)讀寫鎖時(shí)，需要記錄“存在于共享區(qū)內(nèi)在讀的讀者數(shù)量”庆锦、“讀者阻塞的數(shù)量”、“寫者阻塞的數(shù)量”轧葛、“寫者是否在寫共享區(qū)的標(biāo)志”搂抒，以及和讀者、寫者阻塞相關(guān)的兩個(gè)條件變量尿扯，進(jìn)入共享區(qū)的互斥鎖求晶。

typedef struct rw_lock_ {
  unsigned int on-readers;              //readers exists in sharing region
  unsigned int read_waiters;            //waiting readers
  unsigned int write_waiters;           //waiting writers
  unsigned int write_flag;              
  pthread_mutex_t mutex_lock;
  pthread_cond_t  rwait_cond;
  pthread_cond_t  wwait_cond;
} rw_lock_t;

int rw_lock_init(rw_lock_t* prw_lock)
{
  prw_lock->on-readers = 0;
  prw_lock->read_waiters = 0;
  prw_lock->write_waiters = 0;
  prw_lock->write_flag = 0;
  pthread_mutex_init(&prw_lock->mutex_lock, NULL);
  pthread_cond_init(&prw_lock->rwait_cond, NULL);
  pthread_cond_init(&prw_lock->wwait_cond, NULL);
  
  return 0;
}

int rw_lock_destroy(rw_lock_t* prw_lock)
{
  prw_lock->on-readers = 0;
  prw_lock->read_waiters = 0;
  prw_lock->write_waiters = 0;
  prw_lock->write_flag = 0;
  pthread_mutex_destroy(&prw_lock->mutex_lock);
  pthread_cond_destroy(&prw_lock->rwait_cond);
  pthread_cond_destroy(&prw_lock->wwait_cond);

  return 0;
}

int rw_lock_read_lock(rw_lock_t* prw_lock)
{
  pthread_mutex_lock(&prw_lock->mutex_lock);
  while(prw_lock->write_waiters > 0 || prw_lock->write_flag == 1)
  {
    prw_lock->read_waiters++;
    pthread_cond_wait(&prw_lock->rwait_cond, &prw_lock->mutex_lock);
    prw_lock->read_waiters--;
  }
  prw_lock->on-readers++;
  pthread_mutex_unlock(&prw_lock->mutex_lock);

  return 0;
}

int rw_lock_read_unlock(rw_lock_t* prw_lock)
{
  pthread_mutex_lock(&prw_lock->mutex_lock);
  prw_lock->on-readers--;
  if(prw_lock->on-readers == 0)
  {
    if(prw_lock->write_waiters > 0)
    {
      pthread_cond_signal(&prw_lock->rwait_cond);
    }
  }
  pthread_mutex_unlock(&prw_lock->mutex_lock);

  return 0;
}

int rw_lock_write_lock(rw_lock_t* prw_lock)
{
  pthread_mutex_lock(&prw_lock->mutex_lock);
  while(prw_lock->on-readers > 0 || prw_lock->write_flag == 1)
  {
    prw_lock->write_waiters++;
    pthread_cond_wait(&prw_lock->wwait_cond);
    prw_lock->write_waiters--;
  }
  prw_lock->write_flag = 1;
  pthread_mutex_unlock(&prw_lock->mutex_lock);

  return 0;
}

int rw_lock_write_unlock(rw_lock_t* prw_lock)
{
  pthread_mutex_lock(&prw_lock->mutex_lock);
  prw_lock->write_flag = 0;
  if(prw_lock->write_waiters > 0)
  {
    pthread_cond_signal(&prw_lock->wwait_cond);
  }
  else if(prw_lock->read_waiters > 0)
  {
    pthread_cond_broadcast(&prw_lock->rwait_cond);
  }
  pthread_mutex_unlock(&prw_lock->mutex_lock);

  return 0;
}

另有非阻塞讀鎖和非阻塞寫鎖，實(shí)現(xiàn)思路分別為：

1. 非阻塞讀鎖：當(dāng)讀者進(jìn)入共享區(qū)時(shí)衷笋，如果檢查到有寫者阻塞或共享區(qū)的寫標(biāo)志置為1芳杏，則直接返回，而不是阻塞等待辟宗；若兩者均未檢測(cè)到爵赵，則直接進(jìn)入共享區(qū)；
2. 非阻塞寫鎖：當(dāng)寫者進(jìn)入共享區(qū)時(shí)泊脐，如果檢查到共享區(qū)內(nèi)有讀者在讀或有寫者在寫空幻，則直接返回，而不是阻塞等待容客；若兩者均未檢測(cè)到秕铛，則直接進(jìn)入共享區(qū)；

int rw_lock_read_trylock(rw_lock_t* prw_lock)
{
  pthread_mutex_lock(&prw_lock->mutex_lock);
  if(prw_lock->write_waiters > 0 || prw_lock->write_flag == 1)
  {
   return -1;
  }
  prw_lock->on-readers++;
  pthread_mutex_unlock(&prw_lock->mutex_lock);

  return 0;
}

int rw_lock_write_trylock(rw_lock_t* prw_lock)
{
  pthread_mutex_lock(&prw_lock->mutex_lock);
  if(prw_lock->on-readers > 0 || prw_lock->write_flag == 1)
  {
    return -1;
  }
  prw_lock->write_flag = 1;
  pthread_mutex_unlock(&prw_lock->mutex_lock);

  return 0;
}

參考文章

1. ChinaUnix | 可不可以不取名 | 線程同步：條件變量的使用細(xì)節(jié)分析
2. Cnblogs | 寒莓 | 動(dòng)手實(shí)現(xiàn)讀寫鎖
3. Cnblogs | myd620 | 一步一步實(shí)現(xiàn)讀寫鎖
4. Cnblogs | Vamei | Linux多線程與同步
5. CSDN | LUCKYOJ | 實(shí)現(xiàn)線程讀寫鎖的四種方法