Linux系统编程56 线程 - 条件变量

为什么要有条件变量：为了弥补互斥锁的不足

互斥锁的不足：线程只有持锁执行，无锁阻塞(pthread_mutex_lock)两种状态，而如果某个线程是根据共享数据的某个变化是否发生作为依据来做其他操作。那么如果用互斥锁来实现的话，那么该线程会重复如下操作：

申请持锁成功
	判断 (共享数据的某个变化是否发生)
		如果有发生，执行其他操作
	如果没发生，解锁，(加sleep()会影响效率)并重新申请持锁
申请持锁失败 阻塞(pthread_mutex_lock) 等待持锁

如果共享数据的某个变化需要比较久才发生，那么该线程就会反复执行上面的操作，造成CPU处理时间的浪费。有人会说可以在改伪代码中加 sleep()节省CPU处理时间，但是这样的后果是，不能保证该进程以最快的速度查到共享数据的某个变化，影响效率。即类似情况，互斥锁，会有时间和效率的问题。

所以为了解决上述时间和效率问题，引入条件变量

条件变量：
条件变量允许线程阻塞并等待其他线程给自己发送信号唤醒自己。兼顾CPU处理时间和效率，这样就弥补了互斥锁的不足。

相关函数：
pthread_cond_destroy()
pthread_cond_init()
pthread_cond_broadcast()
pthread_cond_signal()
pthread_cond_timedwait()
pthread_cond_wait()

pthread_cond_t 类型，条件变量类型


NAME
       pthread_cond_destroy, pthread_cond_init — destroy and initialize condition variables

SYNOPSIS
       #include <pthread.h>

//销毁
       int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

//动态初始化条件变量
       int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,
           const pthread_condattr_t *restrict attr);

//静态初始化条件变量
       pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;



NAME
       pthread_cond_broadcast, pthread_cond_signal — broadcast or signal a condition 广播或发出条件的信号

SYNOPSIS
       #include <pthread.h>

       //广播形式的唤醒，唤醒所有因 该条件变量cond而阻塞的线程
       int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

       //唤醒 因为该条件变量cond而阻塞的所有线程中的任意一个线程
       int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);




NAME
       pthread_cond_timedwait, pthread_cond_wait — wait on a condition

SYNOPSIS
       #include <pthread.h>

//非阻塞等待条件变量变为真，超时等待
       int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,
           pthread_mutex_t *restrict mutex,
           const struct timespec *restrict abstime);

//阻塞等待条件变量变为真，参数：条件变量，互斥量
       int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,
           pthread_mutex_t *restrict mutex);

pthread_cond_wait() 用于阻塞线程并将线程挂载到 cond条件变量的阻塞线程队列中，然后解锁，最后等待唤醒。被唤醒之后会抢锁，如果只有自己一个阻塞线程，则被唤醒后直接持锁。

使用pthread_cond_wait方式如下：

1    pthread _mutex_lock(&mutex)

2    while或if(线程执行的条件是否成立)
          pthread_cond_wait(&cond, &mutex);

3    线程执行

4    pthread_mutex_unlock(&mutex);

问题一 : 为什么要先持锁

答：条件变量是为了弥补互斥锁的不足，两者都是为了同一时间只能有一个线程访问临界资源，所以必然要加锁。

问题二：pthread_cond_wait() 怎么防止持锁阻塞，即如果在没有解锁的条件下进入阻塞状态，这一行的话，其他线程将无法访问临界资源。

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答：pthread_cond_wait() 内部的实现可以理解为，先将线程挂载到阻塞队列中，然后解锁。所以在函数内部，已经解锁了。至于函数内部解锁的时机是很重要的，函数是在将线程挂载到阻塞队列之后才解锁。这样做的目的是，保证在将线程挂载到阻塞队列之前，其他线程无法改变临界资源。试想一下，如果先解锁，再挂载，会发生什么情况，如果解锁之后，其他线程拿到锁，并改变了临界资源，并发送信号 pthread_cond_signal(), 就会导致本线程无法响应本次临界资源的变化。

情景：
线程持锁，并判断条件是否成立，不成立的话，pthread_cond_wait() 阻塞线程并将线程挂载到 cond条件变量的阻塞线程队列中，然后解锁，最后等待唤醒。pthread_cond_wait() 被唤醒之后会抢锁，如果只有自己一个阻塞线程，则被唤醒后直接持锁, 并开始判断条件是否成立。。。。成立的话跳出循环，执行下一步。

实验1：
用条件变量通知法实现：规定时间内四个线程按顺序分别不停的向终端输出 a,b,c,d 每个线程输出一个字母

规范的写法：用条件变量实现通知法

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

#define THRNUM 4

static int num = 0;

static pthread_mutex_t mut = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

static pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

static int next(int n)
{
	if(n+1 == THRNUM)
		return 0;
	return n+1;

}

static void *thr_add(void *p)
{
	int n = (int)p;//0 1 2 3
	int c = 'a' + (int)p;
	while(1)
	{
		pthread_mutex_lock(&mut);
		while(num != n)//判断是不是目标下一个线程
			pthread_cond_wait(&cond,&mut);//被唤醒的所有线程抢锁，抢到锁的线程 判断条件是否成立。。。
		write(1,&c,1);
		num = next(num);//准备唤醒下一个线程
		pthread_cond_broadcast(&cond);//惊群
		pthread_mutex_unlock(&mut);
	}
		

	pthread_exit(NULL);
} 

int main()
{
	pthread_t tid[THRNUM];
	int i,err;

	for(i = 0; i < THRNUM; i++)
	{
		err = pthread_create(tid+i,NULL,thr_add,(void *)i);
		if(err)
		{
			fprintf(stderr,"pthread_create(): %s\n",strerror(err));
			exit(1);
		}
	}

	//alarm(5);

	for(i = 0;i < THRNUM; i++)
	{
		pthread_join(tid[i],NULL);
	}

	pthread_mutex_destroy(&mut);
	pthread_cond_destroy(&cond);

	exit(0);
	
}

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