LV05-03-线程同步-05-条件变量

本文主要是线程同步——条件变量的相关笔记，若笔记中有错误或者不合适的地方，欢迎批评指正😃。

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STM32开发板	正点原子战舰V3(STM32F103ZET6)

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一、条件变量

条件变量是线程可用的另一种同步机制。条件变量用于自动阻塞线程，知道某个特定事件发生或某个条件满足为止，通常情况下，条件变量是和互斥锁一起搭配使用的，这是因为条件的检测是在互斥锁的保护下进行的，也就是说条件本身是由互斥锁保护的，线程在改变条件状态之前必须先锁住互斥锁，不然就可能引发线程不安全的问题。

条件变量就相当于生产者和消费者模的式，生产者这边负责生产产品、而消费者负责消费产品，对于消费者来说，没有产品的时候只能等待产品出来，有产品就使用它。

二、基本操作

1. 条件变量初始化

1.1 pthread_cond_init() 

1.1.1 函数说明

在linux下可以使用man pthread_cond_init命令查看该函数的帮助手册。

/* Compile and link with -pthread. */
#include <pthread.h>
/* man 手册中的声明 */
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);
/* 一些资料中的声明 */
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr);

额……，😥跟上边一样，使用常见的声明格式把，毕竟参数都是一样的，但是常见的还是更容易理解一些。

【函数说明】该函数是以动态方式初始化一个条件变量。

【函数参数】

• cond：pthread_cond_t *类型，指向需要进行初始化操作的条件变量对象。
• attr：const pthread_condattr_t *类型，指向一个pthread_condattr_t类型对象，该对象用于描述条件变量的属性，若将参数attr设置为NULL，则表示条件变量的属性设置为默认值，在这种情况下其实就等价于PTHREAD_COND_INITIALIZER这种方式初始化，而不同之处在于，使用宏不进行错误检查。

【返回值】int类型，成功返回0；失败将返回一个非0的错误码。

【使用格式】一般情况下基本使用格式如下：

/* 需要包含的头文件 */
#include <pthread.h>

/* 至少应该有的语句 */
pthread_cond_t cond;/* 定义全局变量 */
pthread_cond_init(&cond, NULL);/* 初始化条件变量 */
/* 或者 */
pthread_cond_t *cond = malloc(sizeof(pthread_cond_t)); /* 定义为全局指针变量 */
pthread_cond_init(cond, NULL);/* 初始化条件变量 */

【注意事项】

（1）在使用条件变量之前必须对条件变量进行初始化操作，使用PTHREAD_COND_INITIALIZER宏或者函数pthread_cond_init()都行；

（2） 对已经初始化的条件变量再次进行初始化，将可能会导致未定义行为。

1.1.2 使用实例

暂无。

1.2 PTHREAD_COND_INITIALIZER 

1.2.1 函数说明

在linux下可以使用man 3 pthread_cond_init命令查看该宏的定义格式。

/* Compile and link with -pthread. */
#include <pthread.h>
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER; /* cond为条件变量名称，符合变量标识符定义规则即可。*/

【函数说明】该宏用于使用默认属性初始化一个条件变量。

【定义原型】该宏定义在pthread.h文件中，可以在终端中使用以下命令查看pthread.h文件位置：

locate pthread.h # 若出现locate 命令未安装之类的，按照提示安装即可

定义形式如下：

/* Conditional variable handling.  */
#define PTHREAD_COND_INITIALIZER { { 0, 0, 0, 0, 0, (void *) 0, 0, 0 } }

【返回值】none

【使用格式】一般情况下基本使用格式如下：

/* 需要包含的头文件 */
#include <pthread.h>

/* 至少应该有的语句 */
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER; 

【注意事项】

（1）PTHREAD_COND_INITIALIZER宏已经携带了条件变量默认属性。

（2）只适用于在定义的时候就直接进行初始化，对于其它情况则不能使用这种方式。

1.2.2 使用实例

暂无。

2. 通知和等待

2.1 pthread_cond_signal() 

2.1.1 函数说明

在linux下可以使用man 3 pthread_cond_signal命令查看该宏的定义格式。

/* Compile and link with -pthread. */
#include <pthread.h>
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

【函数说明】函数向条件变量发送信号（至少唤醒一个线程）。

【函数参数】

• cond：pthread_cond_t *类型，指向已经初始化过的条件变量对象。

【返回值】int类型，成功返回0；失败将返回一个非0的错误码。

【使用格式】一般情况下基本使用格式如下：

/* 需要包含的头文件 */
#include <pthread.h>

/* 至少应该有的语句 */
pthread_cond_t cond;/* 定义全局变量 */
pthread_cond_init(&cond, NULL);/* 初始化条件变量 */

pthread_cond_signal(&cond);/* 向条件变量发送信号 */

【注意事项】对阻塞于pthread_cond_wait()的多个线程，pthread_cond_signal()函数至少能唤醒一个线程。

2.1.2 使用实例

暂无。

2.2 pthread_cond_broadcast() 

2.2.1 函数说明

在linux下可以使用man pthread_cond_broadcast命令查看该函数的帮助手册。

/* Compile and link with -pthread. */
#include <pthread.h>
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

【函数说明】该函数向条件变量发送信号（唤醒所有线程，这叫线程的惊群效应）。

【函数参数】

• cond：pthread_cond_t *类型，指向已经初始化过的条件变量对象。

【返回值】int类型，成功返回0；失败将返回一个非0的错误码。

【使用格式】一般情况下基本使用格式如下：

/* 需要包含的头文件 */
#include <pthread.h>

/* 至少应该有的语句 */
pthread_cond_t cond;/* 定义全局变量 */
pthread_cond_init(&cond, NULL);/* 初始化条件变量 */

pthread_cond_broadcast(&cond);/* 向条件变量发送信号 */

【注意事项】

（1）对阻塞于pthread_cond_wait()的多个线程，pthread_cond_broadcast()函数能唤醒所有线程。

（2）使用pthread_cond_broadcast()函数总能产生正确的结果，唤醒所有等待状态的线程，但函数pthread_cond_signal()会更为高效，因为它只需确保至少唤醒一个线程即可。

（3）当调用pthread_cond_broadcast()同时唤醒所有线程时，由于互斥锁也只能被某一线程锁住，其它线程获取锁失败又会陷入阻塞。

2.2.2 使用实例

暂无。

2.3 pthread_cond_wait() 

2.3.1 函数说明

在linux下可以使用man pthread_cond_wait命令查看该函数的帮助手册。

/* Compile and link with -pthread. */
#include <pthread.h>
/* man 手册中的声明 */
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);
/* 一些资料中的声明 */
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);

【函数说明】程序中使用条件变量，当判断某个条件不满足时，调用此函数将线程设置为等待状态（阻塞）。

【函数参数】

• cond：pthread_cond_t *类型，指向需要进行初始化操作的条件变量对象。
• mutex：pthread_mutex_t *类型，指向一个互斥锁对象；前边说过的，条件变量通常是和互斥锁一起使用，因为条件的检测（条件检测通常是需要访问共享资源的）是在互斥锁的保护下进行的，也就是说条件本身是由互斥锁保护的。

点击查看函数内部对互斥锁的使用规则

在pthread_cond_wait()函数内部会对参数mutex所指定的互斥锁进行操作，通常情况下，条件判断以及pthread_cond_wait()函数调用均在互斥锁的保护下，也就是说，在此之前线程已经对互斥锁加锁了。

调用pthread_cond_wait()函数时，调用者把互斥锁传递给函数，函数会自动把调用线程放到等待条件的线程列表上，然后将互斥锁解锁；当pthread_cond_wait()被唤醒返回时，会再次锁住互斥锁。

【返回值】int类型，成功返回0；失败将返回一个非0的错误码。

【使用格式】一般情况下基本使用格式如下：

/* 需要包含的头文件 */
#include <pthread.h>

/* 至少应该有的语句 */
pthread_cond_t cond;/* 定义全局变量 */
pthread_mutex_t mutex;/* 定义全局变量 */
pthread_cond_init(&cond, NULL);/* 初始化条件变量 */
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);/* 初始化互斥锁 */

pthread_mutex_lock(&mutex);
/* 等待信号的条件 */
while(<表达式>)
{
    pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}
/* 中间为共享资源的访问操作 */
pthread_mutex_unlock(&mutex);

【注意事项】条件变量并不保存状态信息，只是传递应用程序状态信息的一种通讯机制。如果调用pthread_cond_signal()和pthread_cond_broadcast()向指定条件变量发送信号时，若无任何线程等待该条件变量，这个信号也就会自动消失。

2.3.2 使用实例

暂无。

2.4 pthread_cond_timedwait() 

2.4.1 函数说明

在linux下可以使用man pthread_cond_timedwait命令查看该函数的帮助手册。

/* Compile and link with -pthread. */
#include <pthread.h>
/* man 手册中的声明 */
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,
                           pthread_mutex_t *restrict mutex,
                           const struct timespec *restrict abstime);

还是这样一个函数，我们直接忽略restrict的存在好吧😆，反正都一样。

【函数说明】程序中使用条件变量，当判断某个条件不满足时，调用此函数将线程设置为等待状态（阻塞），等待条件变量的同时可以设置等待超时，超时就会退出，不会再继续等待。

【函数参数】

• cond：pthread_cond_t *类型，指向已经初始化过的条件变量对象。
• mutex：pthread_mutex_t *类型，指向一个互斥锁对象。
• abstime：struct timespec *类型，表示等待的时间，它是一个绝对值，也就是距离1970-1-1 日的时间值，而不是一个时间段。比如说当前时间为2022-5-1 12:00:00.000，我们想通过这个函数设置最大超时为2500ms，那么就需要设置abstime时间为2022-5-1 12:00:02.500。

【返回值】int类型，成功返回0；失败将返回一个非0的错误码。

【使用格式】none

【注意事项】此函数时间设定个人感觉还是很复杂的，暂时还木有用到过，后边用到了再补充。

2.4.2 使用实例

暂无。

3. 判断条件

使用条件变量，都会有与之相关的判断条件，通常情况下，会涉及到一个或多个共享变量。条件的判断必须使用while循环，而不是if语句，这是一种通用的设计原则：当线程从pthread_cond_wait()返回时，并不能确定判断条件的状态，应该立即重新检查判断条件，如果条件不满足，那就继续休眠等待。

从pthread_cond_wait()返回后，并不能确定判断条件是真还是假，其理由如下：

（1）当有多于一个线程在等待条件变量时，任何线程都有可能会率先醒来获取互斥锁，率先醒来获取到互斥锁的线程可能会对共享变量进行修改，进而改变判断条件的状态。

（2）可能会发出虚假的通知。

4. 销毁条件变量

定义了条件变量之后，当不再需要条件变量时，应该将其销毁。

4.1 pthread_cond_destroy() 

4.1.1 函数说明

在linux下可以使用man pthread_cond_destroy命令查看该函数的帮助手册。

/* Compile and link with -pthread. */
#include <pthread.h>
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

【函数说明】该函数用于销毁一个不再使用的条件变量（条件变量对象实际上变成了未初始化的对象）。

【函数参数】

• cond：pthread_cond_t *类型，指向已经初始化过的条件变量对象。

【返回值】int类型，用成功时返回0；失败将返回一个非0值的错误码。

【使用格式】一般情况下基本使用格式如下：

/* 需要包含的头文件 */
#include <pthread.h>

/* 至少应该有的语句 */
pthread_cond_destroy(&cond);/* 具体看定义的方式，是变量还是指针变量，指针变量则不需要&符号。*/

【注意事项】

（1）对没有进行初始化的条件变量进行销毁，也将可能会导致未定义行为。

（2）对某个条件变量而言，仅当没有任何线程等待它时，将其销毁才是最安全的。

（3）经pthread_cond_destroy()销毁的条件变量，可以再次调用pthread_cond_init()对其进行重新初始化。

（4）高版本的Ubuntu中需要确保条件变量没有线程在使用的情况下才能销毁，否则会导致程序卡死，至少我使用的Ubuntu21.04(64位)就是这样的。

4.1.2 使用实例

暂无。

三、条件变量的属性

条件变量与前边的各种锁一样，都可以设置属性，调用pthread_cond_init()函数初始化条件变量时，可以设置条件变量的属性，通过参数attr指定。条件变量包括两个属性：进程共享属性和时钟属性。由于还没有用到过，暂时先提一下，后边用到了再补充笔记。

四、使用例程

例程这里，我们模拟消费者与生产者关系。

1. 使用实例1

本实例是一个生产者，一个消费者，也就是说，这个例程有一个消费者线程，一个生产者线程，通过条件变量来实现同步。

点击查看实例

test.c

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>/* pthread_create pthread_exit pthread_cancel pthread_self */
#include <unistd.h> /* sleep */
#include <string.h> /* strerror */
#include <stdlib.h> /* malloc */

#define macro_judge 1    /* macro为1时进行Head是否为空的判断，测试消费者线程会怎样的情况,为1时，不会有信号丢失，为0时，会有信号丢失 */

struct product
{
	int num;              /* 产品编号 */
	struct product * next;/* 下一个产品 */
};
struct product * Head = NULL;/* 定义一个产品线的头 */

/* 静态方式初始化互斥锁 */
pthread_mutex_t lock  = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
/* 初始化条件变量 */
pthread_cond_t hasProduct = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

/* 相关函数实现 */
void *producer(void *arg);
void *consumer(void *arg);

/* 主函数 */
int main(int argc, char *argv[])
{
	int ret;
	pthread_t tid1, tid2;
	/* 1. 创建线程 */
	ret = pthread_create(&tid1, NULL, producer, NULL);
	printf("Create producer thread ,ret=%d,tid1=%lu\n", ret, tid1);
	sleep(5);/* 先生产几件产品，然后再开启消费者线程 */
	ret = pthread_create(&tid2, NULL, consumer, (void *)1);
	printf("Create consumer thread ,ret=%d,tid2=%lu\n", ret, tid2);
	sleep(1);

	while(1)
	{
		sleep(1);
	}
	return 0;
}

/* 生产者线程 */
void *producer(void *arg)
{
	/* 定义一个产品的结构体指针变量 */
	struct product * pd;
	int i = 0;
	/* 设置线程分离，结束后自动回收 */
	pthread_detach(pthread_self());
	printf("This is a producer thread test!\n");

	/* 生产产品 */
	while(1)
	{
		/* 申请内存 */
		pd = (struct product *)malloc(sizeof(struct product));
		/* 判断内存是否申请成功 */
		if(pd == NULL)
		{
			printf("product malloc failed!\n");
			pthread_exit("product thread malloc failed!");
		}
		pd->num = i++;
		printf("product %d is producing!\n", pd->num);
		pthread_mutex_lock(&lock);  /* 获取互斥锁 */
		pd->next = Head;
		Head = pd;
		/* 发送产品生产完成信号 */
		pthread_cond_signal(&hasProduct);
		pthread_mutex_unlock(&lock);/* 解除互斥锁 */
		sleep(1);
	}
	/* 退出线程 */
	pthread_exit("producer thread return!");
}

/* 消费者线程 */
void *consumer(void *arg)
{
	/* 设置线程分离，结束后自动回收 */
	pthread_detach(pthread_self());
	printf("This is a consumer thread test!\n");
	/* 定义一个产品的结构体指针变量 */
	struct product * pd;
	while(1)
	{
		pthread_mutex_lock(&lock);/* 获取互斥锁 */
		/* 等待产品生产完成信号 */
#if macro_judge == 1
		while(Head == NULL)
#endif
		{
			/* 没有资源的时候进行等待，等待的时候会解除互斥锁，然后进入休眠，信号到了再重新获取互斥锁 */
			pthread_cond_wait(&hasProduct,&lock);
		}
		pd = Head;
		Head = pd->next;
		printf("%d,Take product %d\n", (int)arg, pd->num);
		free(pd);/* 释放内存 */
		pthread_mutex_unlock(&lock);/* 解除互斥锁 */
	}
	pthread_exit("consumer thread return!");
}

程序中的宏macro_judge用于决定在消费者线程中是否添加产品余量的while循环：

• 若macro_judge为0，则不进行判断，直接进行等信号到来，但是这样，消费者线程开启之前的信号就全部丢失了。
• 若macro_judge为1，则加入判断，这样即便是消费者线程开启之前到来的信号也会被处理掉。

• macro_judge == 0
• macro_judge == 1

在终端执行以下命令编译程序：

gcc test.c -Wall -l pthread # 生成可执行文件 a.out 有一个警告，是线程创建传参造成的，正常现象
./a.out # 执行可执行程序

然后，终端会有以下信息显示：

Create producer thread ,ret=0,tid1=139928004916800
This is a producer thread test!
product 0 is producing!
product 1 is producing!
product 2 is producing!
product 3 is producing!
product 4 is producing!
Create consumer thread ,ret=0,tid2=139927996524096
This is a consumer thread test!
product 5 is producing!
1,Take product 5
product 6 is producing!
1,Take product 6
# 后边的省略 ......

根据结果发现，消费者线程启动前发出的商品信号丢失了，消费者线程并未获取到。

在终端执行以下命令编译程序：

gcc test.c -Wall -l pthread # 生成可执行文件 a.out  有一个警告，是线程创建传参造成的，正常现象
./a.out # 执行可执行程序

然后，终端会有以下信息显示：

Create producer thread ,ret=0,tid1=140716674655808
This is a producer thread test!
product 0 is producing!
product 1 is producing!
product 2 is producing!
product 3 is producing!
product 4 is producing!
Create consumer thread ,ret=0,tid2=140716666263104
This is a consumer thread test!
1,Take product 4
1,Take product 3
1,Take product 2
1,Take product 1
1,Take product 0
product 5 is producing!
1,Take product 5
product 6 is producing!
1,Take product 6
product 7 is producing!
1,Take product 7
# 后边的省略 ......

经打印结果发现，所有的信号都被消费者线程获取到了。

2. 使用实例2

本实例是一个生产者，三个消费者，也就是说，这个例程有三个消费者线程，一个生产者线程，通过条件变量来实现同步。

点击查看实例

test.c

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>/* pthread_create pthread_exit pthread_cancel pthread_self */
#include <unistd.h> /* sleep */
#include <string.h> /* strerror */
#include <stdlib.h> /* malloc */

struct product
{
	int num;              /* 产品编号 */
	struct product * next;/* 下一个产品 */
};
struct product * Head = NULL;/* 定义一个产品线的头 */

#define macro_judge 0     /* 0,不进行Head == NULL的判断；1,Head == NULL */
#define broadcast 1       /* 0,信号只能唤醒一个线程；1,信号将唤醒所有线程 */

/* 静态方式初始化互斥锁 */
pthread_mutex_t lock  = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
/* 初始化条件变量 */
pthread_cond_t hasProduct = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

/* 相关函数实现 */
int testConditionVariable(void);
void *producer(void *arg);
void *consumer(void *arg);

/* 主函数 */
int main(int argc, char *argv[])
{
	int ret;
	pthread_t tid1, tid2, tid3, tid4;
	/* 1. 创建线程 */
	ret = pthread_create(&tid1, NULL, producer, NULL);
	printf("Create producer thread ,ret=%d,tid1=%lu\n", ret, tid1);
	ret = pthread_create(&tid2, NULL, consumer, (void *)1);
	printf("Create consumer thread ,ret=%d,tid2=%lu\n", ret, tid2);
	ret = pthread_create(&tid3, NULL, consumer, (void *)2);
	printf("Create consumer thread ,ret=%d,tid3=%lu\n", ret, tid3);
	ret = pthread_create(&tid4, NULL, consumer, (void *)3);
	printf("Create consumer thread ,ret=%d,tid4=%lu\n", ret, tid4);
	sleep(1);

	while(1)
	{
		sleep(1);
	}
	return 0;
}

/* 生产者线程 */
void *producer(void *arg)
{
	/* 定义一个产品的结构体指针变量 */
	struct product * pd;
	int i = 0;
	/* 设置线程分离，结束后自动回收 */
	pthread_detach(pthread_self());
	printf("This is a producer thread test!\n");

	/* 生产产品 */
	while(1)
	{
		/* 申请内存 */
		pd = (struct product *)malloc(sizeof(struct product));
		/* 判断内存是否申请成功 */
		if(pd == NULL)
		{
			printf("product malloc failed!\n");
			pthread_exit("product thread malloc failed!");
		}
		pd->num = i++;
		printf("product %d is producing!\n", pd->num);
		pthread_mutex_lock(&lock);  /* 获取互斥锁 */
		pd->next = Head;
		Head = pd;
		/* 发送产品生产完成信号 */
#if broadcast == 1
		pthread_cond_broadcast(&hasProduct);/* 注意此函数发送的信号会被所有等待信号的线程得到 */
#else
		pthread_cond_signal(&hasProduct);/* 注意此函数发送的信号只会被一个线程得到 */
#endif
		pthread_mutex_unlock(&lock);/* 解除互斥锁 */
		sleep(1);
	}
	/* 退出线程 */
	pthread_exit("producer thread return!");
}

/* 消费者线程 */
void *consumer(void *arg)
{
	/* 设置线程分离，结束后自动回收 */
	pthread_detach(pthread_self());
	printf("This is a consumer thread test!\n");
	/* 定义一个产品的结构体指针变量 */
	struct product * pd;
	while(1)
	{
		pthread_mutex_lock(&lock);/* 获取互斥锁 */
		/* 等待产品生产完成信号 */
#if macro_judge == 1
		while(Head == NULL)
#endif
		{
			/* 没有资源的时候进行等待，等待的时候会解除互斥锁，然后进入休眠，信号到了再重新获取互斥锁 */
			pthread_cond_wait(&hasProduct,&lock);
		}
		pd = Head;
		Head = pd->next;
		printf("%d,Take product %d\n", (int)arg, pd->num);
		free(pd);/* 释放内存 */
		pthread_mutex_unlock(&lock);/* 解除互斥锁 */
	}
	pthread_exit("consumer thread return!");
}

这里有两个宏，一共有四种情况测试，这里就不再放自己的测试情况了，只分析一下两个宏定义的作用：

程序中的宏macro_judge用于决定在消费者线程中是否添加产品余量的while循环：

macro_judge为0	不进行Head == NULL的判断，直接进行等信号到来，但是这样，消费者线程开启之前的信号就全部丢失了。
macro_judge为1	进行Head == NULL的判断，这样即便是消费者线程开启之前到来的信号也会被处理掉。

程序中的宏broadcast用于决定生产者线程中发出信号后，唤醒多少线程：

broadcast为0	则将信号广播给1个线程，只会有1个线程会被唤醒。
broadcast为1	则将信号广播给所有线程，所有线程都会被唤醒开始抢夺信号。

【注意事项】broadcast = 1时，若macro_judge = 0，则会发生段错误，若macro_judge = 1时正常。 发生原因：例如生产2件产品时，信号广播给所有线程，三个线程都会抢这两个信号，总有一个抢不到，若不进行判断，访问一个空指针，自然会出现内存访问错误 从而报段错误。