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linux 线程同步 条件变量

基础概念

条件变量(Condition Variables) 是一种同步机制,用于多线程编程中,允许线程等待某个条件成立后再继续执行。条件变量通常与互斥锁(Mutex)一起使用,以确保线程安全。

相关优势

  1. 避免忙等待:线程不会不断轮询检查条件,而是进入休眠状态,直到条件满足时被唤醒。
  2. 提高效率:减少了CPU资源的浪费,特别是在条件不满足时。
  3. 简化编程模型:提供了一种清晰的方式来表达线程间的依赖关系。

类型

条件变量本身没有太多类型上的区分,但在不同的操作系统和库中可能有不同的实现方式。常见的有POSIX线程库中的pthread_cond_t

应用场景

  • 生产者-消费者问题:当生产者线程生产数据后,通知消费者线程处理数据。
  • 线程池管理:主线程等待工作线程完成任务后再继续执行。
  • 资源分配:多个线程竞争有限资源时,通过条件变量协调访问。

示例代码

以下是一个简单的使用条件变量的示例,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 prod_thread, cons_thread;

    pthread_create(&prod_thread, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&cons_thread, NULL, consumer, NULL);

    pthread_join(prod_thread, NULL);
    pthread_join(cons_thread, NULL);

    return 0;
}

可能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之前已经持有互斥锁,并且在等待期间互斥锁会被自动释放。

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。例如:
  • 解决方法:使用循环检查条件,而不是简单的if语句。例如:

问题3:性能问题

  • 原因:频繁的条件检查和唤醒操作可能导致性能下降。
  • 解决方法:优化条件变量的使用,减少不必要的等待和唤醒操作,或者考虑使用其他同步机制如信号量。

通过合理使用条件变量和互斥锁,可以有效解决多线程编程中的同步问题。

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