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linux 条件变量

Linux条件变量(Condition Variables)是一种同步机制,用于协调多个线程之间的操作。它们允许线程等待某个条件成立,或者通知其他线程某个条件已经成立。条件变量通常与互斥锁(Mutex)一起使用,以确保线程安全。

基础概念

条件变量:是一种线程同步机制,允许线程等待某个条件成立,或者通知其他线程某个条件已经成立。

互斥锁(Mutex):用于保护共享数据,确保同一时间只有一个线程可以访问这些数据。

相关优势

  1. 提高效率:通过等待条件变量,线程可以进入休眠状态,减少CPU资源的浪费。
  2. 简化编程模型:条件变量提供了一种简洁的方式来处理复杂的线程同步问题。
  3. 避免忙等待:线程不会在条件不满足时不断轮询,从而减少CPU负载。

类型

Linux下的条件变量主要有两种类型:

  • POSIX条件变量:遵循POSIX标准的条件变量。
  • System V条件变量:遵循System V标准的条件变量,较少使用。

应用场景

  1. 生产者-消费者问题:生产者和消费者线程通过条件变量协调生产和消费的速度。
  2. 线程池:线程池中的线程等待新的任务到来。
  3. 事件驱动编程:等待某个事件发生后再进行处理。

示例代码

以下是一个简单的使用POSIX条件变量的示例,模拟生产者-消费者问题:

代码语言:txt
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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>

#define BUFFER_SIZE 10

int buffer[BUFFER_SIZE];
int count = 0;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond_full = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond_empty = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

void* producer(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 20; ++i) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while (count == BUFFER_SIZE) {
            pthread_cond_wait(&cond_full, &mutex);
        }
        buffer[count++] = i;
        printf("Produced: %d\n", i);
        pthread_cond_signal(&cond_empty);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return NULL;
}

void* consumer(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 20; ++i) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while (count == 0) {
            pthread_cond_wait(&cond_empty, &mutex);
        }
        int item = buffer[--count];
        printf("Consumed: %d\n", item);
        pthread_cond_signal(&cond_full);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t producer_thread, consumer_thread;

    pthread_create(&producer_thread, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&consumer_thread, NULL, consumer, NULL);

    pthread_join(producer_thread, NULL);
    pthread_join(consumer_thread, NULL);

    return 0;
}

遇到的问题及解决方法

问题1:死锁

  • 原因:线程在等待条件变量时没有正确释放互斥锁,导致其他线程无法获取锁。
  • 解决方法:确保在调用pthread_cond_wait时,互斥锁会被自动释放,并在唤醒后重新获取锁。

问题2:虚假唤醒

  • 原因:线程在没有被显式通知的情况下被唤醒。
  • 解决方法:使用循环检查条件,而不是简单的if语句,以确保条件确实满足后再继续执行。
代码语言:txt
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while (condition_not_met) {
    pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}

通过以上方法,可以有效避免常见的条件变量使用问题,确保线程安全和程序的正确性。

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