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linux c 条件变量

在Linux C编程中,条件变量(Condition Variables)是一种同步机制,用于协调多个线程之间的共享状态。条件变量允许线程等待某个特定条件的成立,从而避免忙等待(busy-waiting),提高系统资源的利用率。

基础概念

条件变量通常与互斥锁(Mutex)一起使用,以确保线程安全地访问共享资源。线程在检查条件是否满足之前,必须先获得互斥锁。如果条件不满足,线程会释放互斥锁并进入等待状态,直到其他线程改变条件并通知它。

相关函数

  • pthread_cond_init(): 初始化条件变量。
  • pthread_cond_wait(): 线程等待条件变量,此函数会自动释放互斥锁,并在被唤醒时重新获得互斥锁。
  • pthread_cond_signal(): 唤醒等待条件变量的一个线程。
  • pthread_cond_broadcast(): 唤醒等待条件变量的所有线程。
  • pthread_cond_destroy(): 销毁条件变量。

优势

  1. 避免忙等待:线程在等待条件成立时不会占用CPU资源。
  2. 线程间通信:允许线程之间以一种松耦合的方式进行通信。
  3. 灵活性:可以精确控制哪些线程被唤醒。

应用场景

  • 生产者-消费者问题:生产者线程生产数据,消费者线程消费数据,条件变量用于协调生产者和消费者之间的速度差异。
  • 读者-写者问题:多个读者线程可以同时读取共享资源,但写者线程必须独占访问,条件变量用于同步读者和写者。

示例代码

以下是一个简单的生产者-消费者模型的示例代码,使用条件变量和互斥锁:

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

#define BUFFER_SIZE 5

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) {
    while (1) {
        int item = rand() % 100;
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while (count == BUFFER_SIZE) {
            pthread_cond_wait(&cond_full, &mutex);
        }
        buffer[count++] = item;
        printf("Produced: %d
", item);
        pthread_cond_signal(&cond_empty);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(1);
    }
}

void* consumer(void* arg) {
    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while (count == 0) {
            pthread_cond_wait(&cond_empty, &mutex);
        }
        int item = buffer[--count];
        printf("Consumed: %d
", item);
        pthread_cond_signal(&cond_full);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(1);
    }
}

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;
}

常见问题及解决方法

  1. 死锁:确保在调用pthread_cond_wait()之前已经获得互斥锁,并且在回调函数中正确处理锁的释放和重新获取。
  2. 虚假唤醒:即使条件没有改变,线程也可能被唤醒。因此,在pthread_cond_wait()之后应该再次检查条件是否满足。
  3. 竞态条件:使用互斥锁保护共享资源,确保在任何时候只有一个线程能够修改共享状态。

通过合理使用条件变量和互斥锁,可以有效地解决多线程编程中的同步问题。

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