理解线程2 信号量和互斥量 理解线程同步

线程同步

了解线程信号量的基础知识，对深入理解python的线程会大有帮助。

当两个线程同时执行时，不可避免同时操作同一个变量或者文件等，所以需要有一组机制来确保他们能正确的运行：信号量和互斥量。信号量可以分为最简单的“二进制信号量”和更通用的“计数信号量”。信号量通常用来保护一段代码，使其每次只能被一个执行线程运行，这种情况下需要用到二进制信号量。有时候希望可以允许有限数目的线程执行一段指定代码，这就需要用到计数信号量。实际上，技术信号量是一种二进制信号量的逻辑扩展，实际两者调用的函数一样。

互斥量和信号量很相似，事实上他们可以互相通过对方来实现。但在实际应用中，对于一些情况使用其中一种更符合语义而且效果更好。

用信号量进行同步

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

void *thread_function(void *arg);
sem_t bin_sem;

#define WORK_SIZE 1024
char work_area[WORK_SIZE];      /* 用来存放输入内容 */

int main() {
  int res;                    /* 暂存一些命令的返回结果 */
  pthread_t a_thread;         /* 织带新建的线程 */
  void *thread_result;       /* 存放线程处理结果 */

  res = sem_init(&bin_sem, 0, 0);   /* 初始化信号量，并且设置初始值为0*/
  if (res != 0) {
    perror("Semaphore initialization failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
  }
  res = pthread_create(&a_thread, NULL, thread_function, NULL);   /* 创建新线程 */
  if (res != 0) {
    perror("Thread creation failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
  }
  printf("Inout some text, Enter 'end' to finish\n");
  while(strncmp("end", work_area, 3) != 0) {             /* 当工作区内不是以end开头的字符串时...*/
    fgets(work_area, WORK_SIZE, stdin);                  /* 从标准输入获取输入到worl_area */
    sem_post(&bin_sem);                                  /* 信号量+1 */
  }
  printf("\nWaiting for thread to finish...\n");
  res = pthread_join(a_thread, &thread_result);         /* 等待线程结束 */
  if (res != 0) {
    perror("Thread join failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
  }
  printf("Thread joined\n");
  sem_destroy(&bin_sem);                               /* 销毁信号量 */
  exit(EXIT_SUCCESS);
}

void *thread_function(void *arg) {
  sem_wait(&bin_sem);                                 /* 等待信号量有大于0的值然后-1 */
  while(strncmp("end", work_area, 3) != 0) {
    printf("You input %ld characters\n", strlen(work_area)-1);   /* 获取输入字符串长度 8*/
    sem_wait(&bin_sem);                               /* 等待信号量有大于0的值然后-1 */
  }
  pthread_exit(NULL);
}

用互斥量进行同步

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

void *thread_function(void *arg);
pthread_mutex_t work_mutex;

#define WORK_SIZE 1024
char work_area[WORK_SIZE];
int time_to_exit = 0;                           /* 用来控制TODO*/

int main() {
  int res;
  pthread_t a_thread;
  void *thread_result;

  res = pthread_mutex_init(&work_mutex,NULL);    /* 初始化一个互斥锁 */
  if (res != 0) {
    perror("Mutex initialization failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
  }
  res = pthread_create(&a_thread, NULL, thread_function, NULL);  /* 创建一个新线程 */
  if (res != 0) {
    perror("Thread creation failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
  }
  pthread_mutex_lock(&work_mutex);                       /* 尝试对互斥量加锁 */
  printf("Input some text, Enter 'end' to finish\n");
  while(!time_to_exit) {                                   /* 检查是不是该退出*/
    fgets(work_area, WORK_SIZE, stdin);                   /* 从标准输入获取输入到work_area */
    pthread_mutex_unlock(&work_mutex);                   /* 解锁互斥量 */
    while(1) {
      pthread_mutex_lock(&work_mutex);
      if (work_area[0] != '\0') {                      /* 持续检查work_area 是否为空, 如果不为空继续等待，如果为空，则重新读取输入到work_area*/
        pthread_mutex_unlock(&work_mutex);
        sleep(1);
      }
      else {
        break;
      }
    }
  }
  pthread_mutex_unlock(&work_mutex);
  printf("\nWaiting for thread to finish...\n");
  res = pthread_join(a_thread, &thread_result);
  if (res != 0) {
    perror("Thread join failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
  }
  printf("Thread joined\n");
  pthread_mutex_destroy(&work_mutex);
  exit(EXIT_SUCCESS);
}

void *thread_function(void *arg) {
  sleep(1);
  pthread_mutex_lock(&work_mutex);                     /* 尝试加锁互斥量 */
  while(strncmp("end", work_area, 3) != 0) {           /* 当work_area里的值不是以end开头时*/
    printf("You input %ld characters\n", strlen(work_area) -1);     /* 输出输入的字符长度 */
    work_area[0] = '\0';                                      /* work_area设置为空 */
    pthread_mutex_unlock(&work_mutex);
    sleep(1);
    pthread_mutex_lock(&work_mutex);
    while (work_area[0] == '\0') {              /* 持续检查work_area 直到它里面有输入值*/
      pthread_mutex_unlock(&work_mutex);
      sleep(1);
      pthread_mutex_lock(&work_mutex);
    }
  }
  time_to_exit = 1;                        /* 当输入end后，设置退出标志 */
  work_area[0] = '\0';
  pthread_mutex_unlock(&work_mutex);
  pthread_exit(0);
}

参考资料

• 《Beginning Linux Programming》