嵌入式Linux：线程同步（条件变量）

不脱发的程序猿

发布于 2025-01-14 14:20:05

11400

代码可运行

文章被收录于专栏：AIoT技术交流、分享AIoT技术交流、分享

运行总次数：0

代码可运行

在Linux环境下，条件变量（Condition Variables）是一种线程同步机制，允许线程在某个条件未满足时进入等待状态，并在其他线程修改共享资源或条件后通知它们。

条件变量和互斥锁通常一起使用，以保证对共享资源的安全访问。

通过条件变量，线程可以避免忙等待（busy-waiting），从而提高效率。

条件变量使得线程可以通过以下方式同步：

等待某个条件满足：当某个线程在等待某个条件时，它可以进入阻塞状态，并释放持有的互斥锁，以允许其他线程操作共享资源。
通知条件满足：当其他线程改变了共享资源的状态，且满足了等待线程的条件，它可以通过发送信号（signal）来通知那些正在等待的线程，使它们被唤醒并继续执行。

条件变量通常与互斥锁结合使用，因为在检查或修改某些共享资源时，需要保护这些资源的并发访问，防止竞争条件。

互斥锁负责保护共享资源，条件变量负责在线程间传递状态信息。

具体步骤如下：

线程通过互斥锁访问共享资源。
当条件未满足时，线程通过条件变量进入等待，并释放互斥锁，允许其他线程继续操作资源。
其他线程修改共享资源并发出条件满足的信号，通知条件变量唤醒等待线程。
被唤醒的线程重新获得互斥锁并检查条件是否满足，如果满足则继续执行，否则继续等待。

条件变量的使用步骤：

初始化条件变量和互斥锁。
在线程中使用互斥锁对共享资源进行保护。
如果条件未满足，调用pthread_cond_wait()使线程进入阻塞状态，同时释放互斥锁，等待其他线程通知条件满足。
其他线程修改共享资源后，调用pthread_cond_signal()或pthread_cond_broadcast()通知等待线程。
被唤醒的线程重新获得互斥锁并继续检查条件。

条件变量的初始化和销毁

条件变量使用pthread_cond_t数据类型来表示，和互斥锁类似，条件变量在使用前必须初始化。

可以通过两种方式进行初始化：

1、使用宏PTHREAD_COND_INITIALIZER，类似于互斥锁的静态初始化方式：

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

2、使用pthread_cond_init()函数动态初始化条件变量：

pthread_cond_init(&cond, NULL); // attr 为 NULL 时使用默认属性

参数：

cond: 指向待初始化的条件变量对象，类型为 pthread_cond_t*。
attr: 条件变量的属性，可以为 NULL 表示使用默认属性。

返回值：

成功返回 0；
失败返回非零错误码，如 EINVAL（无效属性）。

当不再使用条件变量时，应使用pthread_cond_destroy()进行销毁，以释放系统资源，销毁前需要确保没有线程在等待该条件变量。

pthread_cond_destroy(&cond);

参数：

cond: 指向待销毁的条件变量对象。

返回值：

成功返回 0；
失败返回非零错误码，如 EBUSY（有线程在等待该条件变量）。

注意事项：

只能销毁已经初始化的条件变量。
条件变量销毁时，不能有线程在等待它，否则将导致未定义行为。

发送信号和等待条件变量

条件变量的核心功能就是发送信号和等待条件。

在多线程程序中，线程通过pthread_cond_wait()等待条件，而其他线程通过pthread_cond_signal()或pthread_cond_broadcast()发出信号。

pthread_cond_wait()：使线程等待条件满足，并在等待期间释放互斥锁。该函数会阻塞调用线程，直到另一个线程调用 pthread_cond_signal() 或 pthread_cond_broadcast() 通知该条件变量。

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);

参数：

cond: 条件变量指针，指向 pthread_cond_t 类型的条件变量。
mutex: 互斥锁指针，指向 pthread_mutex_t 类型的互斥锁。在线程进入等待状态时，pthread_cond_wait 会自动释放该互斥锁，并在线程被唤醒时重新加锁。

返回值：

成功返回 0；
失败返回非零错误码。

注意事项：

在调用 pthread_cond_wait() 之前，必须先锁住互斥锁，以避免条件检查和等待之间的竞争。
线程被唤醒时，会重新锁住传入的互斥锁。

pthread_cond_signal()：用于通知至少一个等待该条件变量的线程，使其从 pthread_cond_wait() 的阻塞状态中唤醒。如果没有线程在等待条件变量，该信号会被丢弃。

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

参数：

cond: 条件变量指针，指向 pthread_cond_t 类型的条件变量。

返回值：

成功返回 0；
失败返回非零错误码。

注意事项：

该函数只能唤醒一个等待的线程。
如果没有线程等待，信号不会累积，因此没有线程在等待时，调用该函数不会有任何效果。

pthread_cond_broadcast()：用于唤醒所有等待该条件变量的线程。适用于需要唤醒多个线程的场景。

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

参数：

cond: 条件变量指针，指向 pthread_cond_t 类型的条件变量。

返回值：

成功返回 0；
失败返回非零错误码。

假设有多个消费者线程在等待产品，如果使用pthread_cond_signal()，只有一个线程会被唤醒。

如果我们希望所有消费者都被唤醒，则使用pthread_cond_broadcast()。

但一般来说，pthread_cond_signal()更高效，除非确实需要所有线程都被唤醒。

pthread_cond_signal(&cond);   // 唤醒一个线程
pthread_cond_broadcast(&cond); // 唤醒所有等待的线程

条件变量中的判断条件

在使用条件变量时，通常涉及某个共享变量（如上例中的buffer）。

在检测条件时，必须使用while循环而非if语句。这是因为：

虚假唤醒：线程可能被意外唤醒，但条件仍不满足。用while循环可以确保条件再次检查，而不是立即继续执行。
竞争条件：多个线程可能同时被唤醒，但只有一个线程会成功获取锁并修改条件状态。其他线程必须再次等待。

这样设计能确保线程在条件不满足时不会继续执行，从而避免竞争条件带来的问题。

pthread_mutex_lock(&mutex);
while (buffer == 0) {
    pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}

以下示例展示了生产者-消费者模型，其中生产者线程和消费者线程通过条件变量进行同步：

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
int buffer = 0;  // 缓冲区，0表示空，1表示有产品

void *producer(void *arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);  // 加锁
    while (buffer == 1) {
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);  // 缓冲区满，等待
    }
    buffer = 1;  // 生产产品
    printf("Produced an item\n");
    pthread_cond_signal(&cond);  // 通知消费者
    pthread_mutex_unlock(&mutex);  // 解锁
    return NULL;
}

void *consumer(void *arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);  // 加锁
    while (buffer == 0) {
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);  // 缓冲区空，等待
    }
    buffer = 0;  // 消费产品
    printf("Consumed an item\n");
    pthread_cond_signal(&cond);  // 通知生产者
    pthread_mutex_unlock(&mutex);  // 解锁
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t prod, cons;

    // 创建生产者和消费者线程
    pthread_create(&prod, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&cons, NULL, consumer, NULL);

    // 等待线程执行完毕
    pthread_join(prod, NULL);
    pthread_join(cons, NULL);

    // 销毁互斥锁和条件变量
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&cond);

    return 0;
}

Linux中的条件变量是线程同步的强大工具，允许线程等待特定条件满足后再执行操作，避免了无效的忙等待。

通过与互斥锁协作，条件变量可以有效地协调线程之间对共享资源的访问，保证并发环境下的安全性和效率。