線程間同步方式
引言
不同線程間對臨界區(qū)資源的訪問可能會引起常見的并發(fā)問題蔽挠，我們希望線程原子式的執(zhí)行一系列指令，但由于單處理器上的中斷瓜浸，我們必須想一些其他辦法以同步各線程澳淑，本文就來介紹一些線程間的同步方式。
互斥鎖
互斥鎖(又名互斥量)插佛，強調(diào)的是資源的訪問互斥：互斥鎖是用在多線程多任務(wù)互斥的杠巡，當(dāng)一個線程占用了某一個資源，那么別的線程就無法訪問雇寇，直到這個線程unlock氢拥，其他的線程才開始可以利用這個資源。
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
注意理解trylock函數(shù)锨侯，這與普通的lock不一樣嫩海，普通的lock函數(shù)在資源被鎖住時會被堵塞，直到鎖被釋放识腿。
trylock函數(shù)是非阻塞調(diào)用模式出革，也就是說如果互斥量沒被鎖住，trylock函數(shù)將把互斥量加鎖渡讼，并獲得對共享資源的訪問權(quán)限; 如果互斥量被鎖住了骂束，trylock函數(shù)將不會阻塞等待而直接返回EBUSY，表示共享資源處于忙狀態(tài)成箫，這樣就可以避免死鎖或餓死等一些極端情況發(fā)生展箱。
探究底層，實現(xiàn)一個鎖
實現(xiàn)一個鎖必須需要硬件的支持蹬昌，因為我們必須要保證鎖也是并發(fā)安全的混驰，這就需要硬件支持以保證鎖內(nèi)部是原子實現(xiàn)的。
很容易想到維護一個全局變量flag，當(dāng)該變量為0時栖榨，允許線程加鎖昆汹，并設(shè)置flag為1；否則婴栽，線程必須掛起等待满粗，直到flag為0.
typedef struct lock_t {
int flag;
}lock_t;
void init(lock_t &mutex) {
mutex->flag = 0;
}
void lock(lock_t &mutex) {
while (mutex->flag == 1) {;} //自旋等待變量為0才可進入
mutex->flag = 1;
}
void unlock(lock_t &mutex) {
mutex->flag = 0;
}
這是基于軟件的初步實現(xiàn)，初始化變量為0愚争，線程自旋等待變量為0才可進入映皆，這看上去似乎并沒有什么毛病，但是仔細思考轰枝，這是有問題的：
當(dāng)線程恰好通過while判定時陷入中斷捅彻，此時并未設(shè)置flag為1，另一個線程闖入鞍陨，此時flag仍然為0步淹，通過while判定進入臨界區(qū)，此時中斷湾戳，回到原線程贤旷，原線程繼續(xù)執(zhí)行广料，也進入臨界區(qū)砾脑，這就造成了同步問題。
在while循環(huán)中艾杏，僅僅設(shè)置mutex->flag == 1是不夠的韧衣，盡管他是一個原語，我們必須有更多的代碼购桑，同時畅铭，當(dāng)我們引入更多代碼時，我們必須保證這些代碼也是原子的勃蜘，這就意味著我們需要硬件的支持硕噩。
我們思考上面代碼為什么會失敗缭贡？原因是當(dāng)退出while循環(huán)時炉擅，在這一時刻flag仍然為0，這就給了其他線程搶入臨界區(qū)的機會阳惹。
解決辦法也很直觀 —— 在退出while時谍失，借助硬件支持保證flag被設(shè)置為1。
測試并加鎖(TAS)
我們編寫如下函數(shù)：
int TestAndSet(int *old_ptr, int new) {
int old = *old_ptr;
*old_ptr = new;
return old;
}
同時重新設(shè)置while循環(huán)：
void lock(lock_t &mutex) {
while (TestAndSet(mutex->flag莹汤， 1) == 1) {;} //自旋等待變量為0才可進入
mutex->flag = 1;
}
這里快鱼，我們借助硬件，保證TestAndSet函數(shù)是原子執(zhí)行的，現(xiàn)在鎖可以正確的使用了抹竹。當(dāng)flag為0時线罕，我們通過while測試時已經(jīng)將flag設(shè)置為1了，其他線程已經(jīng)無法進入臨界區(qū)窃判。
比較并交換(CAS)
我們編寫如下函數(shù)：
int CompareAndSwap(int *ptr, int expected, int new) {
int actual = *ptr;
if (actual == expected) {
*ptr = new;
}
return actual;
}
同樣的闻坚，硬件也應(yīng)該支持CAS原語以保證CAS內(nèi)部也是安全的，現(xiàn)在重新設(shè)置while：
void lock(lock_t &mutex) {
while (CompareAndSwap(mutex->flag兢孝， 0窿凤， 1) == 1) {;} //自旋等待變量為0才可進入
mutex->flag = 1;
}
現(xiàn)在鎖可以正確的使用了，當(dāng)flag為0時跨蟹，我們通過while測試時已經(jīng)將flag設(shè)置為1了雳殊，其他線程已經(jīng)無法進入臨界區(qū)。
此外你可能發(fā)現(xiàn)CAS所需要更多的寄存器窗轩，在將來研究synchronozation時夯秃，你會發(fā)現(xiàn)它的妙處。
另一個問題痢艺，過多的自旋仓洼？
你可能發(fā)現(xiàn)了，盡管一個線程未能獲得鎖堤舒，其仍然在不斷while循環(huán)以占用CPU資源色建，一個辦法就是當(dāng)線程未能獲得鎖，進入休眠以釋放CPU資源(條件變量)舌缤，當(dāng)一個線程釋放鎖時箕戳，喚醒一個正在休眠的線程。不過這樣也有缺點国撵，進入休眠與喚醒一個鎖也是需要時間的陵吸，當(dāng)一個線程很快就能釋放鎖時，多等等是比陷入休眠更好的選擇介牙。
Linux下采用兩階段鎖壮虫，第一階段線程自旋一定時間或次數(shù)等待鎖的釋放，當(dāng)達到一定時間或一定次數(shù)時环础，進入第二階段囚似，此時線程進入休眠。
回到互斥鎖
互斥鎖提供了并發(fā)安全的基本保證喳整，互斥鎖用于保證對臨界區(qū)資源的安全訪問谆构，但何時需要訪問資源并不是互斥鎖應(yīng)該考慮的事情，這可能是條件變量該考慮的事情框都。
如果線程頻繁的加鎖和解鎖搬素，效率是非常低效的呵晨，這也是我們必須要考慮到的一個點。
信號量
信號量并不用來傳送資源熬尺，而是用來保護共享資源摸屠，理解這一點是很重要的，信號量 s 的表示的含義為同時允許訪問資源的最大線程數(shù)量粱哼，它是一個全局變量季二。
在進程中也可以使用信號量，對于信號量的理解進程中與線程中并無太大差異揭措，都是用來保護資源胯舷，關(guān)于更多信號量的理解參見這篇文章: JavaLearningNotes/進程間通信方式。
來考慮一個上面簡單的例子：兩個線程同時修改而造成錯誤绊含，我們不考慮讀者而僅僅考慮寫者進程桑嘶，在這個例子中共享資源最多允許一個線程修改資源，因此我們初始化 s 為1躬充。
開始時逃顶，A率先寫入資源，此時A調(diào)用P(s)充甚，將 s 減一以政，此時 s = 0，A進入共享區(qū)工作伴找。
此時盈蛮，線程B也想進入共享區(qū)修改資源，它調(diào)用P(s)發(fā)現(xiàn)此時s為0疆瑰，于是掛起線程眉反，加入等待隊列。
A工作完畢穆役，調(diào)用V(s)，它發(fā)現(xiàn)s為0并檢測到等待隊列不為空梳凛，于是它隨機喚醒一個等待線程耿币，并將s加1，這里喚醒了B韧拒。
B被喚醒淹接，繼續(xù)執(zhí)行P操作，此時s不為0叛溢，B成功執(zhí)行將s置為0并進入工作區(qū)塑悼。
此時C想要進入工作區(qū)......
可以發(fā)現(xiàn)，在無論何時只有一個線程能夠訪問共享資源楷掉，這就是信號量做的事情厢蒜，他控制進入共享區(qū)的最大進程數(shù)量，這取決于初始化s的值。此后斑鸦，在進入共享區(qū)之前調(diào)用P操作愕贡，出共享區(qū)后調(diào)用V操作，這就是信號量的思想巷屿。
有名信號量
有名信號量以文件的形式存在固以，即時是不同進程間的線程也可以訪問該信號量，因此可以用于不同進程間的多線程間的互斥與同步嘱巾。
創(chuàng)建打開有名信號量
sem_t *sem_open(const char *name, int oflag);
sem_t *sem_open(const char *name, int oflag, mode_t mode, unsigned int value);
//成功返回信號量指針憨琳；失敗返回SEM_FAILED，設(shè)置errno
name是文件路徑名旬昭，value設(shè)置為信號量的初始值栽渴。
關(guān)閉信號量，進程終止時稳懒，會調(diào)用它
int sem_close(sem_t *sem); //成功返回0闲擦；失敗返回-1，設(shè)置errno
刪除信號量场梆，立即刪除信號量名字墅冷，當(dāng)其他進程都關(guān)閉它時，銷毀它
int sem_unlink(const char *name);
等待信號量或油，測試信號量的值寞忿，如果其值小于或等于0，那么就等待（阻塞）顶岸；一旦其值變?yōu)榇笥?就將它減1腔彰，并返回
int sem_wait(sem_t *sem);
int sem_trywait(sem_t *sem);
//成功返回0；失敗返回-1辖佣，設(shè)置errno
當(dāng)信號量的值為0時霹抛，sem_trywait立即返回，設(shè)置errno為EAGAIN卷谈。如果被某個信號中斷杯拐，sem_wait會過早地返回，設(shè)置errno為EINTR
發(fā)出信號量世蔗，給它的值加1端逼，然后喚醒正在等待該信號量的進程或線程
int sem_post(sem_t *sem);
成功返回0；失敗返回-1污淋，不會改變它的值顶滩，設(shè)置errno，該函數(shù)是異步信號安全的寸爆，可以在信號處理程序里調(diào)用它
無名信號量
無名信號量存在于進程內(nèi)的虛擬空間中礁鲁，對于其他進程是不可見的盐欺，因此無名信號量用于一個進程體內(nèi)各線程間的互斥和同步,使用如下API：
（1）sem_init 功能：用于創(chuàng)建一個信號量，并初始化信號量的值救氯。 函數(shù)原型：
int sem_init (sem_t* sem, int pshared, unsigned int value);
函數(shù)傳入值： sem:信號量找田。pshared:決定信號量能否在幾個進程間共享。由于目前LINUX還沒有實現(xiàn)進程間共享信息量着憨，所以這個值只能取0墩衙。
（2）其他函數(shù)
int sem_wait (sem_t* sem);
int sem_trywait (sem_t* sem);
int sem_post (sem_t* sem);
int sem_getvalue (sem_t* sem);
int sem_destroy (sem_t* sem);
功能：
sem_wait和sem_trywait相當(dāng)于P操作，它們都能將信號量的值減一甲抖，兩者的區(qū)別在于若信號量的值小于零時漆改，sem_wait將會阻塞進程，而sem_trywait則會立即返回准谚。
sem_post相當(dāng)于V操作挫剑，它將信號量的值加一，同時發(fā)出喚醒的信號給等待的線程柱衔。
sem_getvalue 得到信號量的值樊破。
sem_destroy 摧毀信號量。
如果某個基于內(nèi)存的信號量是在不同進程間同步的唆铐，該信號燈必須存放在共享內(nèi)存區(qū)中哲戚，這要只要該共享內(nèi)存區(qū)存在，該信號燈就存在艾岂。
總結(jié)
無名信號量存在于內(nèi)存中顺少，有名信號量是存在于磁盤上的，因此無名信號量的速度更快王浴，但只適用于一個獨立進程內(nèi)的各線程脆炎；有名信號量可以速度欠缺，但可以使不同進程間的線程同步氓辣，這是通過共享內(nèi)存實現(xiàn)的秒裕，共享內(nèi)存是進程間的一種通信方式。
你可能發(fā)現(xiàn)了筛婉，當(dāng)信號量的值s為1時架谎，信號量的作用于互斥鎖的作用是一樣的唾糯，互斥鎖只能允許一個線程進入臨界區(qū)，而信號量允許更多的線程進入臨界區(qū)归敬，這取決于信號量的值為多少响蓉。
條件變量
什么是條件變量硕勿？
在互斥鎖中，線程等待flag為0才能進入臨界區(qū)枫甲；信號量中P操作也要等待s不為0......在多線程中源武，一個線程等待某個條件是很常見的扼褪，互斥鎖實現(xiàn)一節(jié)中，我們采用自旋是否有一個更專門粱栖、更高效的方式實現(xiàn)條件的等待话浇？
它就是條件變量！條件變量(condition variable)是利用線程間共享的全局變量進行同步的一種機制闹究，主要包括兩個動作：一個線程等待某個條件為真幔崖，而將自己掛起；另一個線程設(shè)置條件為真渣淤，并通知等待的線程繼續(xù)赏寇。
由于某個條件是全局變量，因此條件變量常使用互斥鎖以保護(這是必須的价认，是被強制要求的)嗅定。
條件變量與互斥量一起使用時，允許線程以無競爭的方式等待特定的條件發(fā)生用踩。
線程可以使用條件變量來等待某個條件為真渠退，注意理解并不是等待條件變量為真，條件變量(cond)是在多線程程序中用來實現(xiàn)"等待-->喚醒"邏輯常用的方法脐彩，用于維護一個條件(與是條件變量不同的概念)碎乃，并不是說等待條件變量為真或為假。條件變量是一個顯式的隊列丁屎，當(dāng)條件不滿足時荠锭，線程將自己加入等待隊列，同時釋放持有的互斥鎖晨川；當(dāng)一個線程改變條件時证九，可以喚醒一個或多個等待線程(注意此時條件不一定為真)。
在條件變量上有兩種基本操作：
- 等待（wait）：一個線程處于等待隊列中休眠共虑，此時線程不會占用互斥量愧怜，當(dāng)線程被喚醒后，重新獲得互斥鎖(可能是多個線程競爭)妈拌，并重新獲得互斥量拥坛。
- 通知（signal/notify）：當(dāng)條件更改時，另一個線程發(fā)送通知以喚醒等待隊列中的線程尘分。
相關(guān)函數(shù)
1. 初始化
條件變量采用的數(shù)據(jù)類型是pthread_cond_t,猜惋，在使用之前必須要進行初始化,，這包括兩種方式:
靜態(tài): 直接設(shè)置條件變量cond為常量PTHREAD_COND_INITIALIZER培愁。
動態(tài): pthread_cond_init函數(shù), 是釋放動態(tài)條件變量的內(nèi)存空間之前, 要用pthread_cond_destroy對其進行清理著摔。
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_condattr_t *restrict attr);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
//成功則返回0, 出錯則返回錯誤編號.
注意：條件變量占用的空間并未被釋放。
cond：要初始化的條件變量定续；attr：一般為NULL谍咆。
2. 等待條件
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restric mutex);
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict timeout);
//成功則返回0, 出錯則返回錯誤編號.
這兩個函數(shù)分別是阻塞等待和超時等待禾锤，堵塞等到進入等待隊列休眠直到條件修改而被喚醒；超時等待在休眠一定時間后自動醒來摹察。
進入等待時線程釋放互斥鎖恩掷，而在被喚醒時線程重新獲得鎖。
3. 通知條件
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
//成功則返回0, 出錯則返回錯誤編號.
這兩個函數(shù)用于通知線程條件已被修改供嚎，調(diào)用這兩個函數(shù)向線程或條件發(fā)送信號黄娘。
用法與思考
條件變量用法模板：
pthread_cond_t cond; //條件變量
mutex_t mutex; //互斥鎖
int flag; //條件
//A線程
void threadA() {
Pthread_mutex_lock(&mutex); //保護臨界資源，因為線程會修改全局條件flag
while (flag == 1) //等待某條件成立
Pthread_cond_wait(&cond, &mutex); //不成立則加入隊列休眠查坪，并釋放鎖
....dosomthing
....change flag //條件被修改
Pthread_cond_signal(&cond); //發(fā)送信號通知條件被修改
Pthread_mutex_unlock(&mutex); //放松信號后盡量快速釋放鎖寸宏，因為被喚醒的線程會嘗試獲得鎖
}
//B線程
void threadB() {
Pthread_mutex_lock(&mutex); //保護臨界資源
while (flag == 0) //等待某條件成立
Pthread_cond_wait(&cond, &mutex); //不成立則加入隊列休眠，并釋放鎖
....dosomthing
....change flag //條件被修改
Pthread_cond_signal(&cond); //放松信號后盡量快速釋放鎖偿曙，因為被喚醒的線程會嘗試獲得鎖
Pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
通過上面的一個例子氮凝，應(yīng)該很好理解條件變量與條件的區(qū)別，條件變量是一個邏輯望忆，它并不是while循環(huán)里的bool語句罩阵，我相信很多初學(xué)者都有這么一個誤區(qū)，即條件變量就是線程需要等待的條件启摄。條件是條件稿壁，線程等待條件而不是等待條件變量，條件變量使得線程更高效的等待條件成立歉备，是一組等待 — 喚醒 的邏輯傅是。
注意這里仍然要使用while循環(huán)等待條件，你可能會認(rèn)為明明已經(jīng)上鎖了別的線程無法強入蕾羊。事實上當(dāng)線程A陷入休眠時會釋放鎖喧笔，而當(dāng)其被喚醒時，會嘗試獲得鎖龟再，而正在其嘗試獲得鎖時书闸，另一個線程B現(xiàn)在嘗試獲得鎖，并且搶到鎖進入臨界區(qū)利凑，然后修改條件浆劲，使得線程A的條件不再成立，線程B返回哀澈，此時線程A終于獲得鎖了牌借，并進入臨界區(qū)，但此時線程A的條件根本已經(jīng)不成立割按，他不該進入臨界區(qū)走哺！
此外，被喚醒也不代表條件成立了哲虾，例如上述代碼線程B修改flag = 3丙躏，并且喚醒線程A，這里線程A的條件根本不符合束凑，所以必須重復(fù)判定條件晒旅。互斥鎖和條件變量的例子告訴我們：在等待條件時汪诉，總是使用while而不是if废恋！
陷入休眠的線程必須釋放鎖也是有意義的，如果不釋放鎖扒寄，其他線程根本無法修改條件鱼鼓，休眠的線程永遠都不會醒過來！
實踐——讀寫者鎖
讀取鎖——共享该编；寫入鎖——獨占迄本。即：讀線程可以加多個，而寫線程只能有一個课竣，并且讀者和寫者不能同時工作嘉赎。
這種情況下由于允許多個讀者共享臨界區(qū)效率會高效，我們來考慮實現(xiàn)的問題：只允許一個寫者工作于樟，那么一定需要一個互斥量或二值信號量來維護公条，我們稱為寫者鎖；由于讀者和寫者不能同時工作迂曲，第一個讀者必須嘗試獲取寫者鎖靶橱，而一旦讀者數(shù)量大于1，則后續(xù)讀者無須嘗試獲取寫者鎖而可直接進入路捧，注意到這里存在全局讀者數(shù)量變量关霸，因此讀者也需要一個鎖以維護全局讀者數(shù)量，最后一個退出的讀者必須負責(zé)釋放讀者鎖鬓长。
知曉原理谒拴，快去自己動手實現(xiàn)一個讀寫者鎖把！
Linux下通過pthread_rwlock函數(shù)族實現(xiàn)涉波。
