线程同步与进程通信

线程同步

互斥量

• 临界资源：在一段时间内只允许一个任务（线程或进程）访问资源。任务之间采用互斥的方式访问临界资源

• 互斥量：pthread_mutex_t mutex; 初始化、加锁、解锁、销毁

  • 加锁：int pthread_mutex_lock(); int pthread_mutex_trylock();在访问临界资源前，对互斥量进行加锁。trylock()未加锁则加锁，加锁后不重复加锁。
  • 解锁：int pthread_mutex_unlock();访问完成后对互斥量解锁
  • 销毁：int pthread_mutex_destory();互斥量使用完毕后对互斥量进行销毁，释放资源。

条件变量

• 任务同步：多个线程都要访问临界资源又要相互合作，一个任务的执行依赖与另一个任务的执行情况。

• 条件变量：pthread_cond_t cond;和互斥量一起使用，允许线程以互斥的方式阻塞等待条件的发生即为同步关系

  • 触发条件变量的线程：互斥量加锁>>某一操作>>触发条件变量>>互斥量解锁
  • 等待条件变量的线程：互斥量加锁>>等待条件变量>>某一操作>>互斥量解锁
  • 销毁：pthread_cond_destory();条件变量不再使用后进行销毁，释放空间
  • 等待条件变量：pthread_cond_wait();使得调用进程进入阻塞状态，直到条件触发
  • 触发条件变量：pthread_cond_signal();/pthread_cond_broadcast();可触发并唤醒等待条件变量的线程

• 条件变量与互斥量要配合使用

  • 条件变量的使用场景伴随着临界资源的使用

  • 在调用pthread_cond_wait();前需要使互斥量处于加锁状态，通过原子操作将调用线程放到该条件变量等待线程队列（临界资源）中

    //等待条件变量的操作
    pthread_mutex_lock();
    pthread_cond_wait();
    pthread_mutex_unlock();
    

• 条件变量的使用

读写锁

• 读写关系：读写互斥、写写互斥、读读不互斥

• 读写锁：pthread_rwlock_t;

  • 加读锁：阻塞加锁pthread_rwlock_rdlock();/非阻塞加锁pthread_rwlock_tryrdlock();/限时加读锁pthread_rwlock_timedrdlock();
  • 加写锁：阻塞加锁pthread_rwlock_wrlock();/非阻塞加锁pthread_rwlock_trywrlock();/限时加读锁pthread_rwlock_timedwrlock();
  • 解锁：统一解锁函数，最近配对原则解锁pthread_rwlock_unlock();

进程通信

• 管道和命名管道：文件的形式实现不同进程共享资源

• XSI IPC机制：LINUX系统使用的进程通信机制

  功能	信号量	共享内存	消息队列
  创建或打开一个IPC对象，获得对IPC机制的访问权	semget	shmget	msgget
  IPC操作：信号量操作；连接/释放共享内存；发送/接收消息	semop	shmat/shmdt	msgsnd/msgrcv
  IPC控制：获得/修改IPC对象状态，“删除”IPC对象	semctl	shmctl	msgctl

消息队列

• 消息队列：消息的链表，有写或者读权限的进程可以按照一定的规则添加或者读取消息

• 消息队列的操作sys/types.h sys/ipc.h sys/msg.h

  • 打开或创建消息队列对象：int msgget();
  • 从消息队列接收消息：int msgrcv();
  • 向消息队列发送消息：int msgsnd();
  • 消息队列控制操作：int msgctl();

信号量

• 互斥信号量：任务之间互斥访问临界资源 初始值为1

• 计数信号量：任务之间竞争访问共享资源 初始值大于1，表示共享资源个数

• 二值信号量：任务之间的同步机制 初始值为0

• 信号量的数据结构

  struct s
  {
      int count; //资源计数
      Queue queue; //任务阻塞队列
  };
  
  int init(); // 初始化
  int P(); // P操作
  int V(); // V操作
  

• P操作：分配资源

  --s.count;
  if(s.count < 0)
  {
  	调用进程进入s.queue;
  	阻塞调用进程；
  }
  

• V操作：释放资源

  ++s.count;
  if(s.count <= 0 )
  {
  	从阻塞队列s.queue中取出一个进程P;
  	进程P进入就绪队列;
  }
  

• 信号量集的操作sys/types.h sys/ipc.h sys/sem.h

  • 创建或者打开信号量集对象int semget();

    #include<stdio.h>
    #include<sys/sem.h>
    #define MYKEY 0x1a0a //定一个ipc的key值
    int main()
    {
    	int semid;
    	semid = semget(MYKEY,1,IPC_CREAT|IPC_R|IPC_W|IPC_M); //创建一个信号量集对象
    	printf("semid = %d\n",semid);
        return 0;
    }
    

  • 信号量PV操作int semop();：根据参数short sem_op;判断执行的操作类型

    • sem_op > 0：信号量V操作，增加信号量的值
    • sem_op < 0：信号量P操作，减少信号量的值
    • sem_op = 0：对信号量的当前值是否为0的测试

    //实现P操作
    static int semaphore_v(void)
    {
    	struct sembuf sem_b;
    	sem_b.sem_num = 0; //信号量编号
    	sem_b.sem_op = -1; // P操作
    	sem_b.sem_fg = SEM_UNDO; //在进程没释放信号量而退出时，系统自动释放该进程中未释放的信号量
    	if(semop(sem_id, &sem_b,1) == -1)
    	{
    		fprintf(stderr,"semaphore_p failed\n");
    		return 0;
    	}
    	return 1;
    }
    
    //实现V操作
    static int semaphore_v(void)
    {
    	struct sembuf sem_b;
    	sem_b.sem_num = 0;
    	sem_b.sem_op = 1; // V操作
    	sem_b.sem_fg = SEM_UNDO;
    	if(semop(sem_id, &sem_b,1) == -1)
    	{
    		fprintf(stderr,"semaphore_v failed\n");
    		return 0;
    	}
    	return 1;
    }
    

  • 信号量控制int semctl(); ：int cmd;控制命令参数

    • 对信号量集的控制命令：IPC_RMID删除；IPC_SET设置参数；IPC_STAT获取参数；IPC_INFO获取系统信息
    • 对信号量的控制命令：SETVAL设置信号量的值；GETVAL获取信号量的值；GETPID获取信号量拥有者的PID值

    //信号量初始化
    int init_sem(int sem_id, int init_value)
    {
    	union semun_sem_union;
    	sem_union.val = init_value;
    	if(semctl(sem_id,0,SETVAL,sem_union) == -1)
    	{
    		perror("Initialize semaphore");
    		return -1;
    	}
    	return 0;
    }
    
    //从系统中删除信号量
    int del_sem(int sem_id)
    {
    	union semun sem_union;
    	if(semctl(sem_id,0,IPC_RMID,sem_union) == -1)
    	{
    		perror("Initialize semaphore");
    		return -1;
    	}
    }
    

共享内存

• 共享内存：不同进程可以将同一段内存空间链接到自己的地址空间中，类似物理空间中的全局变量

• 共享内存的操作sys/types.h sys/ipc.h sys/shm.h

  • 创建或者打开共享内存对象int shmget();
  • 将共享内存链接到调用的进程的地址空间void *shmat();
  • 删除进程的共享内存链接int shmdt();
  • 对共享内存的操作int shmctl();

• 共享内存应用–生产者/消费者问题

  //缓存池结构
  struct BufferPool
  {
  	char Buffer[5][100];
  	int index[5];
  };