Linux进程间通信与线程间同步详解（全面详细）

浏览数：41 / 时间：2015年06月08日
引用：http://community.csdn.net/Expert/TopicView3.asp?id=4374496
linux下进程间通信的几种主要手段简介：

   1. 管道（Pipe）及有名管道（named pipe）：管道可用于具有亲缘关系进程间的通信，有名管道克服了管道没有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它还允许无亲缘关系进程间的通信；
   2. 信号（Signal）：信号是比较复杂的通信方式，用于通知接受进程有某种事件发生，除了用于进程间通信外，进程还可以发送信号给进程本身；linux除了支持Unix早期信号语义函数sigal外，还支持语义符合Posix.1标准的信号函数 sigaction（实际上，该函数是基于BSD的，BSD为了实现可靠信号机制，又能够统一对外接口，用sigaction函数重新实现了signal 函数）；
   3. 报文（Message）队列（消息队列）：消息队列是消息的链接表，包括Posix消息队列system V消息队列。有足够权限的进程可以向队列中添加消息，被赋予读权限的进程则可以读走队列中的消息。消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。
   4. 共享内存：使得多个进程可以访问同一块内存空间，是最快的可用IPC形式。是针对其他通信机制运行效率较低而设计的。往往与其它通信机制，如信号量结合使用，来达到进程间的同步及互斥。
   5. 信号量（semaphore）：主要作为进程间以及同一进程不同线程之间的同步手段。
   6. 套接口（Socket）：更为一般的进程间通信机制，可用于不同机器之间的进程间通信。起初是由Unix系统的BSD分支开发出来的，但现在一般可以移植到其它类Unix系统上：Linux和System V的变种都支持套接字。
 
 
 
 
 
线程的最大特点是资源的共享性，但资源共享中的同步问题是多线程编程的难点。linux下提供了多种方式来处理线程同步，最常用的是互斥锁、条件变量和信号量。

1）互斥锁（mutex）

    通过锁机制实现线程间的同步。同一时刻只允许一个线程执行一个关键部分的代码。

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,const pthread_mutex_attr_t *mutexattr);

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex *mutex);

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex *mutex);

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex *

(1)先初始化锁init()或静态赋值pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIER

attr_t有:

PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP:其余线程等待队列

PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP:嵌套锁,允许线程多次加锁,不同线程,解锁后重新竞争

PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP:检错,与一同,线程请求已用锁,返回EDEADLK;

PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP:适应锁,解锁后重新竞争

(2)加锁,lock,trylock,lock阻塞等待锁,trylock立即返回EBUSY

(3)解锁,unlock需满足是加锁状态,且由加锁线程解锁

(4)清除锁,destroy(此时锁必需unlock,否则返回EBUSY,//Linux下互斥锁不占用内存资源

示例代码

  1. #include <cstdio> 
  2. #include <cstdlib> 
  3. #include <unistd.h> 
  4. #include <pthread.h> 
  5. #include "iostream" 
  6. using namespace std; 
  7. pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; 
  8. int tmp; 
  9. void* thread(void *arg) 
  10. { 
  11.     cout << "thread id is " << pthread_self() << endl; 
  12.     pthread_mutex_lock(&mutex); 
  13.     tmp = 12; 
  14.     cout << "Now a is " << tmp << endl; 
  15.     pthread_mutex_unlock(&mutex); 
  16.     return NULL; 
  17. } 
  19. int main() 
  20. { 
  21.     pthread_t id; 
  22.     cout << "main thread id is " << pthread_self() << endl; 
  23.     tmp = 3; 
  24.     cout << "In main func tmp = " << tmp << endl; 
  25.     if (!pthread_create(&id, NULL, thread, NULL)) 
  26.     { 
  27.         cout << "Create thread success!" << endl; 
  28.     } 
  29.     else 
  30.     { 
  31.         cout << "Create thread failed!" << endl; 
  32.     } 
  33.     pthread_join(id, NULL); 
  34.     pthread_mutex_destroy(&mutex); 
  35.     return 0; 
  36. }

编译： g++ -o thread testthread.cpp -lpthread

说明：pthread库不是Linux系统默认的库，连接时需要使用静态库libpthread.a，所以在使用pthread_create()创建线程，以及调用pthread_atfork()函数建立fork处理程序时，需要链接该库。在编译中要加 -lpthread参数。

 

2）条件变量（cond）

    利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制。条件变量上的基本操作有：触发条件(当条件变为 true 时)；等待条件，挂起线程直到其他线程触发条件。

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond,pthread_condattr_t *cond_attr);   

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

int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex *mutex,const timespec *abstime);

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);  //解除所有线程的阻塞

(1)初始化.init()或者pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIER（前者为动态初始化，后者为静态初始化）;属性置为NULL

(2)等待条件成立.pthread_wait,pthread_timewait.wait()释放锁,并阻塞等待条件变量为真，timewait()设置等待时间,仍未signal,返回ETIMEOUT(加锁保证只有一个线程wait)

(3)激活条件变量:pthread_cond_signal,pthread_cond_broadcast(激活所有等待线程)

(4)清除条件变量:destroy;无线程等待,否则返回EBUSY

对于

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

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *abstime);

一定要在mutex的锁定区域内使用。

    如果要正确的使用pthread_mutex_lock与pthread_mutex_unlock，请参考

pthread_cleanup_push和pthread_cleanup_pop宏，它能够在线程被cancel的时候正确的释放mutex！

    另外，posix1标准说，pthread_cond_signal与pthread_cond_broadcast无需考虑调用线程是否是mutex的拥有者，也就是说，可以在lock与unlock以外的区域调用。如果我们对调用行为不关心，那么请在lock区域之外调用吧。

说明：

    (1)pthread_cond_wait 自动解锁互斥量(如同执行了pthread_unlock_mutex)，并等待条件变量触发。这时线程挂起，不占用CPU时间，直到条件变量被触发（变量为ture）。在调用 pthread_cond_wait之前，应用程序必须加锁互斥量。pthread_cond_wait函数返回前，自动重新对互斥量加锁(如同执行了pthread_lock_mutex)。

    (2)互斥量的解锁和在条件变量上挂起都是自动进行的。因此，在条件变量被触发前，如果所有的线程都要对互斥量加锁，这种机制可保证在线程加锁互斥量和进入等待条件变量期间，条件变量不被触发。条件变量要和互斥量相联结，以避免出现条件竞争——个线程预备等待一个条件变量，当它在真正进入等待之前，另一个线程恰好触发了该条件（条件满足信号有可能在测试条件和调用pthread_cond_wait函数（block）之间被发出，从而造成无限制的等待）。

(3)pthread_cond_timedwait 和 pthread_cond_wait 一样，自动解锁互斥量及等待条件变量，但它还限定了等待时间。如果在abstime指定的时间内cond未触发，互斥量mutex被重新加锁，且pthread_cond_timedwait返回错误 ETIMEDOUT。abstime 参数指定一个绝对时间，时间原点与 time 和 gettimeofday 相同：abstime = 0 表示 1970年1月1日00:00:00 GMT。

(4)pthread_cond_destroy 销毁一个条件变量，释放它拥有的资源。进入 pthread_cond_destroy 之前，必须没有在该条件变量上等待的线程。

    (5)条件变量函数不是异步信号安全的，不应当在信号处理程序中进行调用。特别要注意，如果在信号处理程序中调用 pthread_cond_signal 或pthread_cond_boardcast 函数，可能导致调用线程死锁。

示例程序1

 

  1. #include <stdio.h>
  2. #include <pthread.h>
  3. #include "stdlib.h"
  4. #include "unistd.h"
  6. pthread_mutex_t mutex;
  7. pthread_cond_t cond;
  9. void hander(void *arg)
  10. {
  11.     free(arg); 
  12.     (void)pthread_mutex_unlock(&mutex);
  13. }
  15. void *thread1(void *arg)
  16. {
  17.      pthread_cleanup_push(hander, &mutex); 
  18.      while(1) 
  19.      { 
  20.          printf("thread1 is running\n"); 
  21.          pthread_mutex_lock(&mutex); 
  22.          pthread_cond_wait(&cond,&mutex); 
  23.          printf("thread1 applied the condition\n"); 
  24.          pthread_mutex_unlock(&mutex); 
  25.          sleep(4); 
  26.      } 
  27.      pthread_cleanup_pop(0); 
  28. } 
  30. void *thread2(void *arg)
  31. { 
  32.     while(1) 
  33.     { 
  34.         printf("thread2 is running\n"); 
  35.         pthread_mutex_lock(&mutex); 
  36.         pthread_cond_wait(&cond,&mutex); 
  37.         printf("thread2 applied the condition\n"); 
  38.         pthread_mutex_unlock(&mutex); 
  39.         sleep(1); 
  40.     }
  41. }
  43. int main()
  44. {
  45.      pthread_t thid1,thid2; 
  46.      printf("condition variable study!\n"); 
  47.      pthread_mutex_init(&mutex,NULL); 
  48.      pthread_cond_init(&cond,NULL); 
  49.      pthread_create(&thid1,NULL,thread1,NULL); 
  50.      pthread_create(&thid2,NULL,thread2,NULL); 
  51.      sleep(1); 
  52.      do 
  53.      { 
  54.          pthread_cond_signal(&cond); 
  55.      }while(1); 
  56.      sleep(20); 
  57.      pthread_exit(0); 
  58.      return 0;
  59. }

示例程序2：

  1. #include <pthread.h> 
  2. #include <unistd.h> 
  3. #include "stdio.h"
  4. #include "stdlib.h"
  6. static pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; 
  7. static pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER; 
  9. struct node 
  10. {
  11.      int n_number; 
  12.      struct node *n_next; 
  13. } *head = NULL; 
  15. /*[thread_func]*/ 
  16. static void cleanup_handler(void *arg) 
  17. {
  18.      printf("Cleanup handler of second thread./n"); 
  19.      free(arg); 
  20.      (void)pthread_mutex_unlock(&mtx); 
  21. } 
  23. static void *thread_func(void *arg) 
  24. {
  25.      struct node *p = NULL; 
  26.      pthread_cleanup_push(cleanup_handler, p); 
  27.      while (1) 
  28.      { 
  29.          //这个mutex主要是用来保证pthread_cond_wait的并发性
  30.          pthread_mutex_lock(&mtx); 
  31.          while (head == NULL) 
  32.          { 
  33.          //这个while要特别说明一下，单个pthread_cond_wait功能很完善，为何
  34.          //这里要有一个while (head == NULL)呢？因为pthread_cond_wait里的线 
  35.          //程可能会被意外唤醒，如果这个时候head != NULL，则不是我们想要的情况。 
  36.          //这个时候，应该让线程继续进入pthread_cond_wait 
  37.          // pthread_cond_wait会先解除之前的pthread_mutex_lock锁定的mtx， 
  38.          //然后阻塞在等待对列里休眠，直到再次被唤醒（大多数情况下是等待的条件成立 
  39.          //而被唤醒，唤醒后，该进程会先锁定先pthread_mutex_lock(&mtx);，再读取资源 
  40.          //用这个流程是比较清楚的/*block-->unlock-->wait() return-->lock*/ 
  41.          pthread_cond_wait(&cond, &mtx); 
  42.          p = head; 
  43.          head = head->n_next; 
  44.          printf("Got %d from front of queue/n", p->n_number);
  45.          free(p); 
  46.           } 
  47.           pthread_mutex_unlock(&mtx); //临界区数据操作完毕，释放互斥锁 
  48.      } 
  49.      pthread_cleanup_pop(0); 
  50.      return 0; 
  51. } 
  53. int main(void) 
  54. {
  55.      pthread_t tid; 
  56.      int i; 
  57.      struct node *p; 
  58.      //子线程会一直等待资源，类似生产者和消费者，但是这里的消费者可以是多个消费者，而 
  59.      //不仅仅支持普通的单个消费者，这个模型虽然简单，但是很强大
  60.      pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL); 
  61.      sleep(1); 
  62.      for (i = 0; i < 10; i++) 
  63.      { 
  64.          p = (struct node*)malloc(sizeof(struct node)); 
  65.          p->n_number = i; 
  66.          pthread_mutex_lock(&mtx); //需要操作head这个临界资源，先加锁， 
  67.          p->n_next = head; 
  68.          head = p; 
  69.          pthread_cond_signal(&cond); 
  70.          pthread_mutex_unlock(&mtx); //解锁 
  71.          sleep(1); 
  72.      } 
  73.      printf("thread 1 wanna end the line.So cancel thread 2./n"); 
  74.      
  75.      //关于pthread_cancel，有一点额外的说明，它是从外部终止子线程，子线程会在最近的取消点，退出 
  76.      //线程，而在我们的代码里，最近的取消点肯定就是pthread_cond_wait()了。 
  77.      pthread_cancel(tid); 
  78.      pthread_join(tid, NULL); 
  79.      printf("All done -- exiting/n"); 
  80.      return 0; 
  81. }

3）信号量

    如同进程一样，线程也可以通过信号量来实现通信，虽然是轻量级的。

    信号量函数的名字都以"sem_"打头。线程使用的基本信号量函数有四个。

#include <semaphore.h>

int sem_init (sem_t *sem , int pshared, unsigned int value);

    这是对由sem指定的信号量进行初始化，设置好它的共享选项（linux 只支持为0，即表示它是当前进程的局部信号量），然后给它一个初始值VALUE。

两个原子操作函数：

int sem_wait(sem_t *sem);

int sem_post(sem_t *sem);

    这两个函数都要用一个由sem_init调用初始化的信号量对象的指针做参数。

sem_post：给信号量的值加1；

sem_wait:给信号量减1；对一个值为0的信号量调用sem_wait,这个函数将会等待直到有其它线程使它不再是0为止。

int sem_destroy(sem_t *sem);

    这个函数的作用是再我们用完信号量后都它进行清理。归还自己占有的一切资源。

 

示例代码：

 

  1. #include <stdlib.h> 
  2. #include <stdio.h> 
  3. #include <unistd.h> 
  4. #include <pthread.h> 
  5. #include <semaphore.h> 
  6. #include <errno.h> 
  7.     
  8. #define return_if_fail(p) if((p) == 0){printf ("[%s]:func error!/n", __func__);return;} 
  9.     
  10. typedef struct _PrivInfo 
  11. { 
  12.   sem_t s1; 
  13.   sem_t s2; 
  14.   time_t end_time; 
  15. }PrivInfo; 
  16.     
  17. static void info_init (PrivInfo* thiz); 
  18. static void info_destroy (PrivInfo* thiz); 
  19. static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz); 
  20. static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz); 
  21.     
  22. int main (int argc, char** argv) 
  23. { 
  24.   pthread_t pt_1 = 0; 
  25.   pthread_t pt_2 = 0; 
  26.   int ret = 0; 
  27.   PrivInfo* thiz = NULL; 
  28.       
  29.   thiz = (PrivInfo* )malloc (sizeof (PrivInfo)); 
  30.   if (thiz == NULL) 
  31.   { 
  32.     printf ("[%s]: Failed to malloc priv./n"); 
  33.     return -1; 
  34.   } 
  35.     
  36.   info_init (thiz); 
  37.     
  38.   ret = pthread_create (&pt_1, NULL, (void*)pthread_func_1, thiz); 
  39.   if (ret != 0) 
  40.   { 
  41.     perror ("pthread_1_create:"); 
  42.   } 
  43.     
  44.   ret = pthread_create (&pt_2, NULL, (void*)pthread_func_2, thiz); 
  45.   if (ret != 0) 
  46.   { 
  47.      perror ("pthread_2_create:"); 
  48.   } 
  49.     
  50.   pthread_join (pt_1, NULL); 
  51.   pthread_join (pt_2, NULL); 
  52.     
  53.   info_destroy (thiz); 
  54.       
  55.   return 0; 
  56. } 
  57.     
  58. static void info_init (PrivInfo* thiz) 
  59. { 
  60.   return_if_fail (thiz != NULL); 
  61.     
  62.   thiz->end_time = time(NULL) + 10; 
  63.       
  64.   sem_init (&thiz->s1, 0, 1); 
  65.   sem_init (&thiz->s2, 0, 0); 
  66.     
  67.   return; 
  68. } 
  69.     
  70. static void info_destroy (PrivInfo* thiz) 
  71. { 
  72.   return_if_fail (thiz != NULL); 
  73.     
  74.   sem_destroy (&thiz->s1); 
  75.   sem_destroy (&thiz->s2); 
  76.     
  77.   free (thiz); 
  78.   thiz = NULL; 
  79.     
  80.   return; 
  81. } 
  82.     
  83. static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz) 
  84. { 
  85.   return_if_fail (thiz != NULL); 
  86.     
  87.   while (time(NULL) < thiz->end_time) 
  88.   { 
  89.     sem_wait (&thiz->s2); 
  90.     printf ("pthread1: pthread1 get the lock./n"); 
  91.     
  92.     sem_post (&thiz->s1); 
  93.     printf ("pthread1: pthread1 unlock/n"); 
  94.     
  95.     sleep (1); 
  96.   } 
  97.     
  98.   return; 
  99. } 
  100.     
  101. static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz) 
  102. { 
  103.   return_if_fail (thiz != NULL); 
  104.     
  105.   while (time (NULL) < thiz->end_time) 
  106.   { 
  107.     sem_wait (&thiz->s1); 
  108.     printf ("pthread2: pthread2 get the unlock./n"); 
  109.     
  110.     sem_post (&thiz->s2); 
  111.     printf ("pthread2: pthread2 unlock./n"); 
  112.     
  113.     sleep (1); 
  114.   } 
  115.     
  116.   return; 
  117. }

通 过执行结果后，可以看出，会先执行线程二的函数，然后再执行线程一的函数。它们两就实现了同步。在上大学的时候，虽然对这些概念知道，可都没有实践过，所 以有时候时间一久就会模糊甚至忘记，到了工作如果还保持这么一种状态，那就太可怕了。虽然现在外面的技术在不断的变化更新，可是不管怎么变，其核心技术还 是依旧的，所以我们必须要打好自己的基础，再学习其他新的知识，那时候再学新的知识也会觉得比较简单的。信号量代码摘自http://blog.csdn.net/wtz1985/article/details/3835781

参考：

【1】 http://www.cnblogs.com/feisky/archive/2009/11/12/1601824.html

【2】 http://www.cnblogs.com/mydomain/archive/2011/07/10/2102147.html

【3】 线程函数介绍

http://www.unix.org/version2/whatsnew/threadsref.html

【4】 http://www.yolinux.com/TUTORIALS/LinuxTutorialPosixThreads.html

【5】 线程常用函数简介

http://www.rosoo.net/a/201004/8954.html

【6】 条件变量

http://blog.csdn.net/hiflower/article/details/2195350

【7】条件变量函数说明

http://blog.csdn.net/hairetz/article/details/4535920

 

本文来自博文：

http://www.cnblogs.com/mydomain/archive/2011/08/14/2138455.html

Linux进程间通信与线程间同步详解（全面详细）,古老的榕树,5-wow.com

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