linux之线程同步一实验报告

    在多核时代，多线程编程已成为程序员必备技能之一。但是，多线程编程也带来了许多问题，其中最重要的就是线程同步和互斥。为了解决这些问题，我们需要使用一些同步机制，例如信号量、互斥量、条件变量等。本文将介绍如何使用这些同步机制来保证线程的同步和互斥。

    一、信号量

    信号量是一种经典的同步机制。它可以用于控制对共享资源的访问，从而实现线程间的同步和互斥。信号量有两种类型：二进制信号量和计数信号量。

    二进制信号量只有两个状态：0和1。它可以用于表示一个共享资源是否正在被占用。当二进制信号量的值为1时，表示共享资源未被占用；当值为0时，表示共享资源正在被占用。

    计数信号量可以表示一个共享资源可用的数量。当计数信号量的值为N时，表示共享资源可用N次。每次访问共享资源时，需要将计数信号量的值减1；当访问完成后，需要将计数信号量的值加1。如果计数信号量的值为0，则表示共享资源已经被占用，需要等待其他线程释放共享资源。

    下面是一个使用信号量实现线程同步和互斥的例子：

    c

    #include<stdio.h>

    #include<pthread.h>

    #include<semaphore.h>

    #defineNTHREADS10

    sem_tsem;

    void*thread_func(void*arg){

    intid=(int)arg;

    printf("Thread%d:beforecriticalsection\n",id);

    sem_wait(&sem);

    printf("Thread%d:insidecriticalsection\n",id);

    sleep(1);

    printf("Thread%d:aftercriticalsection\n",id);

    sem_post(&sem);

    returnNULL;

    }

    intmain(){

    pthread_tthreads[NTHREADS];

    sem_init(&sem,0,1);

    for(inti=0;i<NTHREADS;i++){

    pthread_create(&threads[i],NULL,thread_func,(void*)i);

    }

    for(inti=0;i<NTHREADS;i++){

    pthread_join(threads[i],NULL);

    }

    sem_destroy(&sem);

    return0;

    }

    上面的代码创建了10个线程，每个线程都会访问一个共享资源。在访问共享资源之前，线程会调用`sem_wait`函数等待信号量；在访问完成后，线程会调用`sem_post`函数释放信号量。这样可以保证同时只有一个线程访问共享资源。

    二、互斥量

    互斥量是一种用于保护共享资源的同步机制。它可以用于控制对共享资源的访问，从而实现线程间的互斥。互斥量有两种状态：锁定和非锁定。

    当一个线程需要访问共享资源时，它会先尝试获取互斥量的锁。如果互斥量当前处于非锁定状态，则线程会成功获取锁，并执行临界区代码；如果互斥量当前处于锁定状态，则线程会被阻塞，直到互斥量被解锁为止。

    下面是一个使用互斥量实现线程同步和互斥的例子：

    c

    #include<stdio.h>

    #include<pthread.h>

    #defineNTHREADS10

    pthread_mutex_tmutex;

    void*thread_func(void*arg){

    intid=(int)arg;

    printf("Thread%d:beforecriticalsection\n",id);

    pthread_mutex_lock(&mutex);

    printf("Thread%d:insidecriticalsection\n",id);

    sleep(1);

    printf("Thread%d:aftercriticalsection\n",id);

    pthread_mutex_unlock(&mutex);

    returnNULL;

    }

    intmain(){

    pthread_tthreads[NTHREADS];

    pthread_mutex_init(&mutex,NULL);

    for(inti=0;i<NTHREADS;i++){

    pthread_create(&threads[i],NULL,thread_func,(void*)i);

    }

    for(inti=0;i<NTHREADS;i++){

    pthread_join(threads[i],NULL);

    }

    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    return0;

    }

    上面的代码与前面的例子类似，但使用了互斥量来保护共享资源。在访问共享资源之前，线程会调用`pthread_mutex_lock`函数获取互斥量的锁；在访问完成后，线程会调用`pthread_mutex_unlock`函数释放互斥量的锁。这样可以保证同时只有一个线程访问共享资源。

    三、条件变量

    条件变量是一种用于在线程间传递信号和数据的同步机制。它可以用于解决生产者消费者问题、读写者问题等。

    条件变量需要与互斥量配合使用。当一个线程需要等待某个条件成立时，它会先释放互斥量，并等待条件变量的信号；当条件成立时，另一个线程会发送信号给条件变量，唤醒等待该条件变量的线程。

    下面是一个使用条件变量实现生产者消费者问题的例子：

    c

    #include<stdio.h>

    #include<pthread.h>

    #defineBUFFER_SIZE10

    intbuffer[BUFFER_SIZE];

    intcount=0;

    pthread_mutex_tmutex;

    pthread_cond_tcond;

    void*producer(void*arg){

    for(inti=0;i<100;i++){

    pthread_mutex_lock(&mutex);

    while(count==BUFFER_SIZE){

    pthread_cond_wait(&cond,&mutex);

    }

    buffer[count++]=i;

    printf("Producer:produced%d\n",i);

    pthread_cond_signal(&cond);

    pthread_mutex_unlock(&mutex);

    }

    returnNULL;

    }

    void*consumer(void*arg){

    for(inti=0;i<100;i++){

    pthread_mutex_lock(&mutex);

    while(count==0){

    pthread_cond_wait(&cond,&mutex);

    }

    intvalue=buffer[--count];

    printf("Consumer:consumed%d\n",value);

    pthread_cond_signal(&cond);

    pthread_mutex_unlock(&mutex);

    }

    returnNULL;

    }

    intmain(){

    pthread_tproducer_thread,consumer_thread;

    pthread_mutex_init(&mutex,NULL);

    pthread_cond_init(&cond,NULL);

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

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

    pthread_join(producer_thread,NULL);

    pthread_join(consumer_thread,NULL);

    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    pthread_cond_destroy(&cond);

    return0;

    }

    上面的代码创建了一个生产者线程和一个消费者线程，它们共享一个缓冲区。当缓冲区为空时，消费者线程会等待生产者线程生产数据；当缓冲区已满时，生产者线程会等待消费者线程消费数据。这样可以保证生产者和消费者之间的同步。

    结论

    本文介绍了如何使用信号量、互斥量和条件变量来保证线程的同步和互斥。这些同步机制可以用于控制对共享资源的访问，从而避免出现竞态条件和死锁等问题。在实际编程中，需要根据具体情况选择合适的同步机制，并注意避免常见的同步问题，例如饥饿、死锁等。

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