linux 多进程信号同步问题 linux 下进程间的同步机制有哪些
linux \u591a\u8fdb\u7a0b\u4fe1\u53f7\u540c\u6b65\u95ee\u9898\u7ebf\u7a0b\u7684\u6700\u5927\u7279\u70b9\u662f\u8d44\u6e90\u7684\u5171\u4eab\u6027\uff0c\u4f46\u8d44\u6e90\u5171\u4eab\u4e2d\u7684\u540c\u6b65\u95ee\u9898\u662f\u591a\u7ebf\u7a0b\u7f16\u7a0b\u7684\u96be\u70b9\u3002linux\u4e0b\u63d0\u4f9b\u4e86\u591a\u79cd\u65b9\u5f0f\u6765\u5904\u7406\u7ebf\u7a0b\u540c\u6b65\uff0c\u6700\u5e38\u7528\u7684\u662f\u4e92\u65a5\u9501\u3001\u6761\u4ef6\u53d8\u91cf\u548c\u4fe1\u53f7\u91cf\u3002
1\uff09\u4e92\u65a5\u9501\uff08mutex\uff09
\u901a\u8fc7\u9501\u673a\u5236\u5b9e\u73b0\u7ebf\u7a0b\u95f4\u7684\u540c\u6b65\u3002\u540c\u4e00\u65f6\u523b\u53ea\u5141\u8bb8\u4e00\u4e2a\u7ebf\u7a0b\u6267\u884c\u4e00\u4e2a\u5173\u952e\u90e8\u5206\u7684\u4ee3\u7801\u3002
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,const pthread_mutex_attr_t *mutexattr);
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex *mutex);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex *
(1)\u5148\u521d\u59cb\u5316\u9501init()\u6216\u9759\u6001\u8d4b\u503cpthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIER
attr_t\u6709:
PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP:\u5176\u4f59\u7ebf\u7a0b\u7b49\u5f85\u961f\u5217
PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP:\u5d4c\u5957\u9501,\u5141\u8bb8\u7ebf\u7a0b\u591a\u6b21\u52a0\u9501,\u4e0d\u540c\u7ebf\u7a0b,\u89e3\u9501\u540e\u91cd\u65b0\u7ade\u4e89
PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP:\u68c0\u9519,\u4e0e\u4e00\u540c,\u7ebf\u7a0b\u8bf7\u6c42\u5df2\u7528\u9501,\u8fd4\u56deEDEADLK;
PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP:\u9002\u5e94\u9501,\u89e3\u9501\u540e\u91cd\u65b0\u7ade\u4e89
(2)\u52a0\u9501,lock,trylock,lock\u963b\u585e\u7b49\u5f85\u9501,trylock\u7acb\u5373\u8fd4\u56deEBUSY
(3)\u89e3\u9501,unlock\u9700\u6ee1\u8db3\u662f\u52a0\u9501\u72b6\u6001,\u4e14\u7531\u52a0\u9501\u7ebf\u7a0b\u89e3\u9501
(4)\u6e05\u9664\u9501,destroy(\u6b64\u65f6\u9501\u5fc5\u9700unlock,\u5426\u5219\u8fd4\u56deEBUSY,//Linux\u4e0b\u4e92\u65a5\u9501\u4e0d\u5360\u7528\u5185\u5b58\u8d44\u6e90
\u611f\u89c9\u4f60\u63d0\u95ee\u7684\u5e94\u8be5\u662f\u8fdb\u7a0b\u95f4\u7684\u901a\u4fe1\u3002\u800c\u901a\u8baf\u4e3b\u8981\u6709\u4ee5\u4e0b6\u4e2d\u65b9\u5f0f\uff1a
1.\u7ba1\u9053\uff08Pipe\uff09\u53ca\u6709\u540d\u7ba1\u9053\uff08named pipe\uff09\uff1a\u7ba1\u9053\u53ef\u7528\u4e8e\u5177\u6709\u4eb2\u7f18\u5173\u7cfb\u8fdb\u7a0b\u95f4\u7684\u901a\u4fe1\uff0c\u6709\u540d\u7ba1\u9053\u514b\u670d\u4e86\u7ba1\u9053\u6ca1\u6709\u540d\u5b57\u7684\u9650\u5236\uff0c\u56e0\u6b64\uff0c\u9664\u5177\u6709\u7ba1\u9053\u6240\u5177\u6709\u7684\u529f\u80fd\u5916\uff0c\u5b83\u8fd8\u5141\u8bb8\u65e0\u4eb2\u7f18\u5173\u7cfb\u8fdb\u7a0b\u95f4\u7684\u901a\u4fe1\uff1b
2.\u4fe1\u53f7\uff08Signal\uff09\uff1a\u4fe1\u53f7\u662f\u6bd4\u8f83\u590d\u6742\u7684\u901a\u4fe1\u65b9\u5f0f\uff0c\u7528\u4e8e\u901a\u77e5\u63a5\u53d7\u8fdb\u7a0b\u6709\u67d0\u79cd\u4e8b\u4ef6\u751f\uff0c\u9664\u4e86\u7528\u4e8e\u8fdb\u7a0b\u95f4\u901a\u4fe1\u5916\uff0c\u8fdb\u7a0b\u8fd8\u53ef\u4ee5\u53d1\u9001\u4fe1\u53f7\u7ed9\u8fdb\u7a0b\u672c\u8eab\uff1blinux\u9664\u4e86\u652f\u6301Unix\u65e9\u671f \u4fe1\u53f7\u8bed\u4e49\u51fd\u6570sigal\u5916\uff0c\u8fd8\u652f\u6301\u8bed\u4e49\u7b26\u5408Posix.1\u6807\u51c6\u7684\u4fe1\u53f7\u51fd\u6570sigaction\uff08\u5b9e\u9645\u4e0a\uff0c \u8be5\u51fd\u6570\u662f\u57fa\u4e8eBSD\u7684\uff0cBSD\u4e3a\u4e86\u5b9e\u73b0\u53ef\u9760\u4fe1\u53f7\u673a\u5236\uff0c\u53c8\u80fd\u591f\u7edf\u4e00\u5bf9\u5916\u63a5\u53e3\uff0csigaction\u51fd\u6570\u91cd\u65b0\u5b9e\u73b0\u4e86signal\u51fd\u6570\uff09\uff1b
3.\u62a5\u6587\uff08Message\uff09\u961f\u5217\uff08\u6d88\u606f\u961f\u5217\uff09\uff1a\u6d88\u606f\u961f\u5217\u662f\u6d88\u606f\u7684\u94fe\u63a5\u8868\uff0c\u5305\u62ecPosix\u6d88\u606f\u961f\u5217system V\u6d88\u606f\u961f\u5217\u3002\u6709\u8db3\u591f\u6743\u9650\u7684\u8fdb\u7a0b\u53ef\u4ee5\u5411\u961f\u5217\u4e2d\u6dfb\u52a0\u6d88\u606f\uff0c\u88ab\u8d4b\u4e88\u8bfb\u6743\u9650\u7684\u8fdb\u7a0b\u5219\u53ef\u4ee5\u8bfb\u8d70\u961f\u5217\u4e2d\u7684\u6d88\u606f\u3002\u6d88\u606f\u961f\u5217\u514b\u670d\u4e86\u4fe1\u53f7\u627f\u8f7d\u4fe1\u606f\u91cf\u5c11\uff0c\u7ba1\u9053\u53ea\u80fd\u627f\u8f7d\u65e0\u683c\u5f0f\u5b57\u8282\u6d41\u4ee5\u53ca\u7f13\u51b2\u533a\u5927\u5c0f\u53d7\u9650\u7b49\u7f3a\u70b9\u3002
4.\u5171\u4eab\u5185\u5b58\uff1a\u4f7f\u5f97\u591a\u4e2a\u8fdb\u7a0b\u53ef\u4ee5\u8bbf\u95ee\u540c\u4e00\u5757\u5185\u5b58\u7a7a\u95f4\uff0c\u662f\u6700\u5feb\u7684\u53ef\u7528IPC\u5f62\u5f0f\u3002\u662f\u9488\u5176\u4ed6\u901a\u4fe1\u673a\u5236\u8fd0\u884c\u6548\u7387\u8f83\u4f4e\u8bbe\u8ba1\u7684\u3002\u5f80\u5f80\u4e0e\u5176\u5b83\u901a\u4fe1\u673a\u5236\uff0c\u5982\u4fe1\u53f7\u91cf\u7ed3\u5408\u4f7f\u7528\uff0c \u6765\u8fbe\u5230\u8fdb\u7a0b\u95f4\u7684\u540c\u6b65\u53ca\u4e92\u65a5\u3002
5.\u4fe1\u53f7\u91cf\uff08semaphore\uff09\uff1a\u4e3b\u8981\u4f5c\u4e3a\u8fdb\u7a0b\u95f4\u4ee5\u53ca\u540c\u4e00\u8fdb\u7a0b\u4e0d\u540c\u7ebf\u7a0b\u4e4b\u95f4\u7684\u540c\u6b65\u624b\u6bb5\u3002
6.\u5957\u63a5\u5b57\uff08Socket\uff09\uff1a\u66f4\u4e3a\u4e00\u822c\u7684\u8fdb\u7a0b\u95f4\u901a\u4fe1\u673a\u5236\uff0c\u53ef\u7528\u4e8e\u4e0d\u540c\u673a\u5668\u4e4b\u95f4\u7684\u8fdb\u7a0b\u95f4\u901a\u4fe1\u3002\u8d77\u521d\u662f\u7531Unix\u7cfb\u7edf\u7684BSD\u5206\u652f\u5f00\u53d1\u51fa\u6765\u7684\uff0c\u4f46\u73b0\u5728\u4e00\u822c\u53ef\u4ee5\u79fb\u690d\u5230\u5176\u5b83\u7c7bUnix \u7cfb\u7edf\u4e0a\uff1aLinux\u548cSystem V\u7684\u53d8\u79cd\u90fd\u652f\u6301\u5957\u63a5\u5b57\u3002
线程的最大特点是资源的共享性，但资源共享中的同步问题是多线程编程的难点。linux下提供了多种方式来处理线程同步，最常用的是互斥锁、条件变量和信号量。
1）互斥锁（mutex）
通过锁机制实现线程间的同步。同一时刻只允许一个线程执行一个关键部分的代码。
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,const pthread_mutex_attr_t *mutexattr);
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex *mutex);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex *
(1)先初始化锁init()或静态赋值pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIER
attr_t有:
PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP:其余线程等待队列
PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP:嵌套锁,允许线程多次加锁,不同线程,解锁后重新竞争
PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP:检错,与一同,线程请求已用锁,返回EDEADLK;
PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP:适应锁,解锁后重新竞争
(2)加锁,lock,trylock,lock阻塞等待锁,trylock立即返回EBUSY
(3)解锁,unlock需满足是加锁状态,且由加锁线程解锁
(4)清除锁,destroy(此时锁必需unlock,否则返回EBUSY,//Linux下互斥锁不占用内存资源
示例代码
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include "iostream"
using namespace std;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int tmp;
void* thread(void *arg)
{
cout << "thread id is " << pthread_self() << endl;
pthread_mutex_lock(&mutex);
tmp = 12;
cout << "Now a is " << tmp << endl;
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return NULL;
}
int main()
{
pthread_t id;
cout << "main thread id is " << pthread_self() << endl;
tmp = 3;
cout << "In main func tmp = " << tmp << endl;
if (!pthread_create(&id, NULL, thread, NULL))
{
cout << "Create thread success!" << endl;
}
else
{
cout << "Create thread failed!" << endl;
}
pthread_join(id, NULL);
pthread_mutex_destroy(&mutex);
return 0;
}
编译： g++ -o thread testthread.cpp -lpthread
说明：pthread库不是Linux系统默认的库，连接时需要使用静态库libpthread.a，所以在使用pthread_create()创建线程，以及调用pthread_atfork()函数建立fork处理程序时，需要链接该库。在编译中要加 -lpthread参数。
2）条件变量（cond）
利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制。条件变量上的基本操作有：触发条件(当条件变为 true 时)；等待条件，挂起线程直到其他线程触发条件。
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond,pthread_condattr_t *cond_attr);
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex *mutex,const timespec *abstime);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond); //解除所有线程的阻塞
(1)初始化.init()或者pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIER（前者为动态初始化，后者为静态初始化）;属性置为NULL
(2)等待条件成立.pthread_wait,pthread_timewait.wait()释放锁,并阻塞等待条件变量为真，timewait()设置等待时间,仍未signal,返回ETIMEOUT(加锁保证只有一个线程wait)
(3)激活条件变量:pthread_cond_signal,pthread_cond_broadcast(激活所有等待线程)
(4)清除条件变量:destroy;无线程等待,否则返回EBUSY
对于
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);
一定要在mutex的锁定区域内使用。
如果要正确的使用pthread_mutex_lock与pthread_mutex_unlock，请参考
pthread_cleanup_push和pthread_cleanup_pop宏，它能够在线程被cancel的时候正确的释放mutex！
另外，posix1标准说，pthread_cond_signal与pthread_cond_broadcast无需考虑调用线程是否是mutex的拥有者，也就是说，可以在lock与unlock以外的区域调用。如果我们对调用行为不关心，那么请在lock区域之外调用吧。
说明：
(1)pthread_cond_wait 自动解锁互斥量(如同执行了pthread_unlock_mutex)，并等待条件变量触发。这时线程挂起，不占用CPU时间，直到条件变量被触发（变量为ture）。在调用 pthread_cond_wait之前，应用程序必须加锁互斥量。pthread_cond_wait函数返回前，自动重新对互斥量加锁(如同执行了pthread_lock_mutex)。
(2)互斥量的解锁和在条件变量上挂起都是自动进行的。因此，在条件变量被触发前，如果所有的线程都要对互斥量加锁，这种机制可保证在线程加锁互斥量和进入等待条件变量期间，条件变量不被触发。条件变量要和互斥量相联结，以避免出现条件竞争——个线程预备等待一个条件变量，当它在真正进入等待之前，另一个线程恰好触发了该条件（条件满足信号有可能在测试条件和调用pthread_cond_wait函数（block）之间被发出，从而造成无限制的等待）。
(3)pthread_cond_timedwait 和 pthread_cond_wait 一样，自动解锁互斥量及等待条件变量，但它还限定了等待时间。如果在abstime指定的时间内cond未触发，互斥量mutex被重新加锁，且pthread_cond_timedwait返回错误 ETIMEDOUT。abstime 参数指定一个绝对时间，时间原点与 time 和 gettimeofday 相同：abstime = 0 表示 1970年1月1日00:00:00 GMT。
(4)pthread_cond_destroy 销毁一个条件变量，释放它拥有的资源。进入 pthread_cond_destroy 之前，必须没有在该条件变量上等待的线程。
(5)条件变量函数不是异步信号安全的，不应当在信号处理程序中进行调用。特别要注意，如果在信号处理程序中调用 pthread_cond_signal 或pthread_cond_boardcast 函数，可能导致调用线程死锁。
示例程序1
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include "stdlib.h"
#include "unistd.h"
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;
void hander(void *arg)
{
free(arg);
(void)pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
void *thread1(void *arg)
{
pthread_cleanup_push(hander, &mutex);
while(1)
{
printf("thread1 is running\n");
pthread_mutex_lock(&mutex);
pthread_cond_wait(&cond,&mutex);
printf("thread1 applied the condition\n");
pthread_mutex_unlock(&mutex);
sleep(4);
}
pthread_cleanup_pop(0);
}
void *thread2(void *arg)
{
while(1)
{
printf("thread2 is running\n");
pthread_mutex_lock(&mutex);
pthread_cond_wait(&cond,&mutex);
printf("thread2 applied the condition\n");
pthread_mutex_unlock(&mutex);
sleep(1);
}
}
int main()
{
pthread_t thid1,thid2;
printf("condition variable study!\n");
pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
pthread_cond_init(&cond,NULL);
pthread_create(&thid1,NULL,thread1,NULL);
pthread_create(&thid2,NULL,thread2,NULL);
sleep(1);
do
{
pthread_cond_signal(&cond);
}while(1);
sleep(20);
pthread_exit(0);
return 0;
}
示例程序2：
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
static pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
static pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
struct node
{
int n_number;
struct node *n_next;
} *head = NULL;
/*[thread_func]*/
static void cleanup_handler(void *arg)
{
printf("Cleanup handler of second thread./n");
free(arg);
(void)pthread_mutex_unlock(&mtx);
}
static void *thread_func(void *arg)
{
struct node *p = NULL;
pthread_cleanup_push(cleanup_handler, p);
while (1)
{
//这个mutex主要是用来保证pthread_cond_wait的并发性
pthread_mutex_lock(&mtx);
while (head == NULL)
{
//这个while要特别说明一下，单个pthread_cond_wait功能很完善，为何
//这里要有一个while (head == NULL)呢？因为pthread_cond_wait里的线
//程可能会被意外唤醒，如果这个时候head != NULL，则不是我们想要的情况。
//这个时候，应该让线程继续进入pthread_cond_wait
// pthread_cond_wait会先解除之前的pthread_mutex_lock锁定的mtx，
//然后阻塞在等待对列里休眠，直到再次被唤醒（大多数情况下是等待的条件成立
//而被唤醒，唤醒后，该进程会先锁定先pthread_mutex_lock(&mtx);，再读取资源
//用这个流程是比较清楚的/*block-->unlock-->wait() return-->lock*/
pthread_cond_wait(&cond, &mtx);
p = head;
head = head->n_next;
printf("Got %d from front of queue/n", p->n_number);
free(p);
}
pthread_mutex_unlock(&mtx); //临界区数据操作完毕，释放互斥锁
}
pthread_cleanup_pop(0);
return 0;
}
int main(void)
{
pthread_t tid;
int i;
struct node *p;
//子线程会一直等待资源，类似生产者和消费者，但是这里的消费者可以是多个消费者，而
//不仅仅支持普通的单个消费者，这个模型虽然简单，但是很强大
pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
sleep(1);
for (i = 0; i < 10; i++)
{
p = (struct node*)malloc(sizeof(struct node));
p->n_number = i;
pthread_mutex_lock(&mtx); //需要操作head这个临界资源，先加锁，
p->n_next = head;
head = p;
pthread_cond_signal(&cond);
pthread_mutex_unlock(&mtx); //解锁
sleep(1);
}
printf("thread 1 wanna end the line.So cancel thread 2./n");
//关于pthread_cancel，有一点额外的说明，它是从外部终止子线程，子线程会在最近的取消点，退出
//线程，而在我们的代码里，最近的取消点肯定就是pthread_cond_wait()了。
pthread_cancel(tid);
pthread_join(tid, NULL);
printf("All done -- exiting/n");
return 0;
}
3）信号量
如同进程一样，线程也可以通过信号量来实现通信，虽然是轻量级的。
信号量函数的名字都以"sem_"打头。线程使用的基本信号量函数有四个。
#include <semaphore.h>
int sem_init (sem_t *sem , int pshared, unsigned int value);
这是对由sem指定的信号量进行初始化，设置好它的共享选项（linux 只支持为0，即表示它是当前进程的局部信号量），然后给它一个初始值VALUE。
两个原子操作函数：
int sem_wait(sem_t *sem);
int sem_post(sem_t *sem);
这两个函数都要用一个由sem_init调用初始化的信号量对象的指针做参数。
sem_post：给信号量的值加1；
sem_wait:给信号量减1；对一个值为0的信号量调用sem_wait,这个函数将会等待直到有其它线程使它不再是0为止。
int sem_destroy(sem_t *sem);
这个函数的作用是再我们用完信号量后都它进行清理。归还自己占有的一切资源。
示例代码：
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <errno.h>
#define return_if_fail(p) if((p) == 0){printf ("[%s]:func error!/n", __func__);return;}
typedef struct _PrivInfo
{
sem_t s1;
sem_t s2;
time_t end_time;
}PrivInfo;
static void info_init (PrivInfo* thiz);
static void info_destroy (PrivInfo* thiz);
static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz);
static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz);
int main (int argc, char** argv)
{
pthread_t pt_1 = 0;
pthread_t pt_2 = 0;
int ret = 0;
PrivInfo* thiz = NULL;
thiz = (PrivInfo* )malloc (sizeof (PrivInfo));
if (thiz == NULL)
{
printf ("[%s]: Failed to malloc priv./n");
return -1;
}
info_init (thiz);
ret = pthread_create (&pt_1, NULL, (void*)pthread_func_1, thiz);
if (ret != 0)
{
perror ("pthread_1_create:");
}
ret = pthread_create (&pt_2, NULL, (void*)pthread_func_2, thiz);
if (ret != 0)
{
perror ("pthread_2_create:");
}
pthread_join (pt_1, NULL);
pthread_join (pt_2, NULL);
info_destroy (thiz);
return 0;
}
static void info_init (PrivInfo* thiz)
{
return_if_fail (thiz != NULL);
thiz->end_time = time(NULL) + 10;
sem_init (&thiz->s1, 0, 1);
sem_init (&thiz->s2, 0, 0);
return;
}
static void info_destroy (PrivInfo* thiz)
{
return_if_fail (thiz != NULL);
sem_destroy (&thiz->s1);
sem_destroy (&thiz->s2);
free (thiz);
thiz = NULL;
return;
}
static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz)
{
return_if_fail (thiz != NULL);
while (time(NULL) < thiz->end_time)
{
sem_wait (&thiz->s2);
printf ("pthread1: pthread1 get the lock./n");
sem_post (&thiz->s1);
printf ("pthread1: pthread1 unlock/n");
sleep (1);
}
return;
}
static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz)
{
return_if_fail (thiz != NULL);
while (time (NULL) < thiz->end_time)
{
sem_wait (&thiz->s1);
printf ("pthread2: pthread2 get the unlock./n");
sem_post (&thiz->s2);
printf ("pthread2: pthread2 unlock./n");
sleep (1);
}
return;
}
通 过执行结果后，可以看出，会先执行线程二的函数，然后再执行线程一的函数。它们两就实现了同步
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