2022-2-19

条件变量

线程可以使用条件变量（condition variable），来等待一个条件变成真。条件变量是一个显式队列，当某些执行状态（即条件，condition）不满足时，线程可以把自己加入队列，等待（waiting）该条件。另外某个线程，当它改变了上述状态时，就可以唤醒一个或者多个等待线程（通过在该条件上发信号），让它们继续执行。


其中，pthread_cond_wait(pthread_cond_t *c, pthread_mutex_t *m)的作用是，释放获得的锁m，并且获得c的旧值，与新值比较是否变化，没变化就进入休眠，变化了就对m进行加锁
注意这里的done变量是必要的，如果没有他来完成thr_join里的循环的话，pthread_cond_wait只会运行一次，如果检测到c没有完成的话，就解锁然后无限进行等待，无法被唤醒了
child运行完后，调用thr_exit，改变了条件变量c，解锁m后直接返回，这时thr_join就可以被唤醒继续运行了
另外需要注意的是，pthread_cond_wait默认使用者在休眠之前是持有锁的

生产者/消费者（有界缓冲区）问题

假设有一个或多个生产者线程和一个或多个消费者线程。生产者把生成的数据项放入缓冲区；消费者从缓冲区取走数据项，以某种方式消费。因为有界缓冲区是共享资源，所以我们必须通过同步机制来访问它，以免产生竞态条件。为了更好地理解这个问题，我们来看一些实际的代码。


这里可能出现一个问题，就是如果存在两个消费者T1和T2，在最开始他们先运行了，发现count == 0也即没数据的时候，都进入了休眠，然后生产者C被唤醒，存入一个数据，唤醒T1后睡眠，T1读取数据后，count又变成0，唤醒T2后进入睡眠，T2醒来后发现count ==0，于是又进入睡眠，这时大家都进入睡眠了
解决方法很简单，设置两个条件变量，决定哪种情况该唤醒哪种程序就行了

最终的生产者/消费者方案

上文的方案，虽然没问题，但是存一个数据就切换一次线程，读一个数据就切换一次线程，上下文切换开销太大，我们可以一次生产多个值，一次消费多个值，减少切换损耗

信号量

信号量的定义

信号量是有一个整数值的对象，可以用两个函数来操作它。在 POSIX 标准中，是sem_wait()和 sem_post()。因为信号量的初始值能够决定其行为，所以首先要初始化信号量，才能调用其他函数与之交互

其中申明了一个信号量 s，通过第三个参数，将它的值初始化为 1。sem_init()的第二个参数，在我们看到的所有例子中都设置为 0，表示信号量是在同一进程的多个线程共享的。

二值信号量（锁）

信号量的第一种用法就是当锁用

这里x应该为1
为了说明清楚，我们假设有两个线程的场景。第一个线程（线程 0）调用了 sem_wait()，它把信号量的值减为 0。然后，它只会在值小于 0 时等待。因为值是 0，调用线程从函数返回并继续，线程 0 现在可以自由进入临界区。线程 0 在临界区中，如果没有其他线程尝试获取锁，当它调用 sem_post()时，会将信号量重置为 1（因为没有等待线程，不会唤醒其他线程）

信号量用作条件变量

例如，一个线程要等待一个链表非空，然后才能删除一个元素。在这种场景下，通常一个线程等待条件成立，另外一个线程修改条件并发信号给等待线程，从而唤醒等待线程。

这里的初始值应该为0

生产者/消费者（有界缓冲区）问题

第一次尝试

这里有个问题，如果存在两个生产者p1和p2，p1运行，假设fill这时=0，p1调用put，给buffer赋值后，但还没给fill+1时，产生了中断，p2运行，也调用put，p2就将buffer[0]的值给覆盖了，这是因为临界区没加锁保护导致的两个线程发生竞争

第二次尝试

这里我们加入互斥锁，但又产生了一个问题，假如消费者先运行，mutex从1变0，然后full从0变为-1，消费者进入睡眠，生产者活动，但这时锁仍然是消费者持有的，所以生产者将mutex从0变为-1，进入睡眠，但是这时full仍然是-1，无法唤醒消费者，两个线程都进入睡眠，死锁了
解决方法也很简单，就是将两个锁的位置调换下


这告诉我们了，在上锁的时候，将锁紧挨着临界区才是最好的

读写锁

哲学家就餐问题

假定有 5 位“哲学家”围着一个圆桌。每两位哲学家之间有一把餐叉（一共 5 把）。哲学家有时要思考一会，不需要餐叉；有时又要就餐。而一位哲学家只有同时拿到了左手边和右手边的两把餐叉，才能吃到东西。关于餐叉的竞争以及随之而来的同步问题，就是我们在并发编程中研究它的原因。

下面是每个哲学家的基本循环：

while(1){
    think();getforks();eat();putforks();	
}

由于有五个叉子，所以我们需要五个信号量：sem_t forks[5]

一个简单的尝试

这里的问题是，如果每个哲学家都拿起了左手的叉子，就死锁了，大家都在等待右手边的叉子被释放

解决方法

解决方法也很简单，让最后一位哲学家先拿右手边的叉子就行