Pthread条件变量同步

前面说到用互斥量做同步结果不怎么理想。因为OS系统对线程调度随机的。自己实现的resume/yield 原语不是原子的。操作系统可以扣住原语中的一部分语句搁置起来。这可以导致实际运行中，两个原语对sched互斥量的上锁、解锁，以逆序的方式出现。这时，代码中设计的调度线程挂起就会失效。如果操作系统继续扣住读写线程yield的最后一个mutex_lock()语句。它的作用是让读写线程挂起。

那么是是什么情况。没有线程挂在互斥量上！互斥量的上锁、解锁操作脱离了咒语的魔法。调度线程对一堆离线互斥量自以为是的做了上锁、解锁操作，什么效果都没有。又因为调度线程对sched互斥量的上锁、解锁的积累效果为0。如果调度线程一个人跑了一圈没有挂起，那么再跑第二圈也不会挂起…。如果经过奇数次空转，操作系统终于把扣住mutex_lock()语句放行了，把读写线程放了进来。咒语恢复了魔力。读写线程终于被调度线程解锁。这时读写线程会看到，bx缓冲区仍然是上次它休眠前的样子，无法做操作，只能再次yield让出处理机。这就是前文那个if需要改为while的原因。

究其原因，调度线程无法测试读写线程是否执行了mutex_lock()，把自己挂在互斥量，因而暂停了运行，还是仅仅因为操作系统扣住了它。所以想到了要用条件变量。这是唯一办法。条件变量用pthread_cond_wait()挂起线程，用pthread_cond_signal()唤醒线程。用pthread_cond_wait()挂起线程的时候，同时也解锁了互斥量。这样测试互斥量就可以知道线程有没有挂起。正好解决了前面遇到的难题。注意！除了开始的初始化语句。读写线程是全文上锁的，除非用pthread_cond_wait()进入休眠了。所以可以做这个测试。别的线程测到互斥量可以打开，就是这个线程已经休眠了。

现在调度的数据结构改成这样了：

typedef struct _Context_ {int finish;struct {pthread_mutex_t mutex;pthread_cond_t cond;volatile int wait_sched_lock_thread;int state;} thread[2];
} Context;

读写线程用条件变量睡眠，调度线程用对应的signal语句唤醒它。调度线程(resume)下面的mutex_lock()会挂起，最后被读写线程的pthread_cond_wait()唤醒。

void resume(int i)
{pthread_cond_signal(&gCtx.thread[i].cond);while (gCtx.thread[i].wait_sched_lock_thread == 0) {sched_yield();}gCtx.thread[i].wait_sched_lock_thread = 0;mutex_lock(&gCtx.thread[i].mutex);mutex_unlock(&gCtx.thread[i].mutex);
}void yield(int i)
{
//printf("thread %d yield\n", th);pthread_cond_wait(&gCtx.thread[i].cond, &gCtx.thread[i].mutex);gCtx.thread[i].wait_sched_lock_thread = 999;
}

唤醒之后还是需要自己同步一下的。resume()中的下一条语句 mutex_lock();会和pthread_cond_wait()醒来时的互斥量上锁产生竞争。如果resume()先得到锁，resume()不会暂停，而读写线程也不能恢复执行。做这个同步就比较容易了，只要用个变量做个标记检查一下就行了。

具体的代码贴上：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <setjmp.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>int mutex_lock(pthread_mutex_t * mutex)
{int i;i= pthread_mutex_lock(mutex);if(i!=0) {printf("LOCK FAILED\n");}return i;
}int mutex_unlock(pthread_mutex_t * mutex)
{return pthread_mutex_unlock(mutex);
}typedef int BOOL;
#define TRUE    1
#define FALSE   0extern pthread_mutex_t bx_mutex;typedef struct _Context_ {int finish;struct {pthread_mutex_t mutex;pthread_cond_t cond;volatile int wait_sched_lock_thread;int state;} thread[2];
} Context;#define  WRITE_THREAD 0
#define  READ_THREAD 1Context gCtx;
static int next_thread;
int run;void resume(int i)
{pthread_cond_signal(&gCtx.thread[i].cond);while (gCtx.thread[i].wait_sched_lock_thread == 0) {sched_yield();}gCtx.thread[i].wait_sched_lock_thread = 0;mutex_lock(&gCtx.thread[i].mutex);mutex_unlock(&gCtx.thread[i].mutex);
}void yield(int i)
{
//printf("thread %d yield\n", th);pthread_cond_wait(&gCtx.thread[i].cond, &gCtx.thread[i].mutex);gCtx.thread[i].wait_sched_lock_thread = 999;
}#define MAXBUFS 10
struct buffer {char buf[MAXBUFS][128];int pos;int bc;int eobf;
};
struct buffer bx;void bx_read(char *s, int n)
{restart:if (bx.bc) {strncpy(s, bx.buf[bx.pos], n);s[n - 1] = '\0';bx.bc--;bx.pos++;if (bx.pos >= MAXBUFS)bx.pos = 0;return;} else if (bx.eobf) {gCtx.finish = 1;gCtx.thread[run].state = 1;yield(READ_THREAD);} else {yield(READ_THREAD);goto restart;}
}void bx_write(char *s, int n)
{int wpos;while (bx.bc >= MAXBUFS) {yield(WRITE_THREAD);}wpos = bx.pos + bx.bc;if (wpos >= MAXBUFS)wpos -= MAXBUFS;if (n < 128) {strcpy(bx.buf[wpos], s);}else {strncpy(bx.buf[wpos], s, 128);bx.buf[wpos][127] = '\0';}bx.bc++;
}typedef void *(*pf) (void *);
BOOL start_coroutine(pf func, void *arg);
void coroutine_read(void *arg);void coroutine_write(void *arg)
{FILE *fp;char s[128];int len;int i = (int) arg;i = WRITE_THREAD;mutex_lock(&gCtx.thread[i].mutex);gCtx.thread[i].wait_sched_lock_thread = 999;pthread_cond_wait(&gCtx.thread[i].cond, &gCtx.thread[i].mutex);gCtx.thread[i].wait_sched_lock_thread = 999;fp = fopen("b.c", "r");if (!fp) {printf("can not open `b.c'\n");exit(0);}while (fgets(s, 128, fp) != NULL) {len = strlen(s);if (len) {--len;if (s[len] == '\n') s[len] = '\0'; else ++len;}if (len) {--len;if (s[len] == '\r') s[len] = '\0'; else ++len;}bx_write(s, len + 1);}bx.eobf = 1;gCtx.thread[WRITE_THREAD].state = 1;fclose(fp);
printf("[WRITE_THREAD FINISHED]\n");yield(WRITE_THREAD);
}void coroutine_read(void *arg)
{char buf[128];int i = (int) arg;i = READ_THREAD;mutex_lock(&gCtx.thread[i].mutex);gCtx.thread[i].wait_sched_lock_thread = 999;pthread_cond_wait(&gCtx.thread[i].cond, &gCtx.thread[i].mutex);gCtx.thread[i].wait_sched_lock_thread = 999;while (!bx.eobf || bx.bc) {bx_read(buf, 128);printf("%s\n", buf);}gCtx.thread[READ_THREAD].state = 1;
printf("[READ_THREAD FINISHED]\n");yield(READ_THREAD);
}BOOL start_coroutine(pf func, void *arg)
{int thread_id;pthread_t pt_id;thread_id = next_thread++;pthread_create(&pt_id, NULL, func, (void *) thread_id);pthread_detach(pt_id);return TRUE;
}int sched()
{int s;if (run == 0) s = 1; else s = 0;if (gCtx.thread[s].state == 0) run = s;return run;
}int main()
{int i;pthread_mutexattr_t mat;pthread_mutexattr_init(&mat);pthread_mutexattr_settype(&mat, PTHREAD_MUTEX_NORMAL);pthread_mutex_init(&gCtx.thread[0].mutex, &mat);pthread_mutex_init(&gCtx.thread[1].mutex, &mat);pthread_cond_init(&gCtx.thread[0].cond, NULL);pthread_cond_init(&gCtx.thread[1].cond, NULL);start_coroutine((pf) coroutine_write, NULL);start_coroutine((pf) coroutine_read, NULL);sched_yield();while (gCtx.thread[0].wait_sched_lock_thread == 0) {sched_yield();}gCtx.thread[0].wait_sched_lock_thread = 0;mutex_lock(&gCtx.thread[0].mutex);mutex_unlock(&gCtx.thread[0].mutex);while (gCtx.thread[1].wait_sched_lock_thread == 0) {sched_yield();}gCtx.thread[1].wait_sched_lock_thread = 0;mutex_lock(&gCtx.thread[0].mutex);mutex_unlock(&gCtx.thread[0].mutex);run = 1;while (TRUE) {resched:i = sched();
printf("sched thread %d to run\n", i);if (gCtx.thread[i].state == 0) {resume(i);} else break;}printf("done\n");return 0;
}

调度线程用条件变量唤醒读写线程。读写线程用解锁互斥量唤醒调度线程。同步问题得到了解决。

然而在最后结束之前，仍有一个问题需要考察一下。既然调度线程用条件变量唤醒读写线程，读写线程用解锁互斥量唤醒调度线程，这样问题就得到了解决。那么反过来，读写线程用条件变量唤醒调度线程，调度线程用解锁互斥量唤醒读写线程是否也可以呢？可以的。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <setjmp.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>int mutex_lock(pthread_mutex_t * mutex)
{int i;i= pthread_mutex_lock(mutex);if(i!=0) {printf("LOCK FAILED\n");}return i;
}int mutex_unlock(pthread_mutex_t * mutex)
{return pthread_mutex_unlock(mutex);
}typedef int BOOL;
#define TRUE    1
#define FALSE   0extern pthread_mutex_t bx_mutex;typedef struct _Context_ {pthread_cond_t cond;int finish;struct {pthread_mutex_t mutex;volatile int wait_sched_lock_thread;int state;} thread[2];
} Context;#define  WRITE_THREAD 0
#define  READ_THREAD 1Context gCtx;
static int next_thread;
int run;void resume(int i)
{pthread_cond_wait(&gCtx.cond, &gCtx.thread[i].mutex);
}void yield(int i)
{
//printf("thread %d yield\n", i);mutex_unlock(&gCtx.thread[i].mutex);pthread_cond_signal(&gCtx.cond);mutex_lock(&gCtx.thread[i].mutex);mutex_unlock(&gCtx.thread[i].mutex);mutex_lock(&gCtx.thread[i].mutex);
}#define MAXBUFS 10
struct buffer {char buf[MAXBUFS][128];int pos;int bc;int eobf;
};
struct buffer bx;void bx_read(char *s, int n)
{restart:if (bx.bc) {strncpy(s, bx.buf[bx.pos], n);s[n - 1] = '\0';bx.bc--;bx.pos++;if (bx.pos >= MAXBUFS)bx.pos = 0;return;} else if (bx.eobf) {gCtx.finish = 1;gCtx.thread[run].state = 1;yield(READ_THREAD);} else {yield(READ_THREAD);goto restart;}
}void bx_write(char *s, int n)
{int wpos;while (bx.bc >= MAXBUFS) {yield(WRITE_THREAD);}wpos = bx.pos + bx.bc;if (wpos >= MAXBUFS)wpos -= MAXBUFS;if (n < 128) {strcpy(bx.buf[wpos], s);}else {strncpy(bx.buf[wpos], s, 128);bx.buf[wpos][127] = '\0';}bx.bc++;
}typedef void *(*pf) (void *);
BOOL start_coroutine(pf func, void *arg);
void coroutine_read(void *arg);void coroutine_write(void *arg)
{FILE *fp;char s[128];int len;int i = (int) arg;i = WRITE_THREAD;mutex_lock(&gCtx.thread[i].mutex);fp = fopen("b.c", "r");if (!fp) {printf("can not open `b.c'\n");exit(0);}while (fgets(s, 128, fp) != NULL) {len = strlen(s);if (len) {--len;if (s[len] == '\n') s[len] = '\0'; else ++len;}if (len) {--len;if (s[len] == '\r') s[len] = '\0'; else ++len;}bx_write(s, len + 1);}bx.eobf = 1;gCtx.thread[WRITE_THREAD].state = 1;fclose(fp);
printf("[WRITE_THREAD FINISHED]\n");yield(WRITE_THREAD);mutex_unlock(&gCtx.thread[WRITE_THREAD].mutex);
}void coroutine_read(void *arg)
{char buf[128];int i = (int) arg;i = READ_THREAD;mutex_lock(&gCtx.thread[i].mutex);while (!bx.eobf || bx.bc) {bx_read(buf, 128);printf("%s\n", buf);}gCtx.thread[READ_THREAD].state = 1;
printf("[READ_THREAD FINISHED]\n");yield(READ_THREAD);mutex_unlock(&gCtx.thread[READ_THREAD].mutex);
}BOOL start_coroutine(pf func, void *arg)
{int thread_id;pthread_t pt_id;thread_id = next_thread++;pthread_create(&pt_id, NULL, func, (void *) thread_id);pthread_detach(pt_id);return TRUE;
}int sched()
{int s;if (run == 0) s = 1; else s = 0;if (gCtx.thread[s].state == 0) run = s;return run;
}int main()
{int i;pthread_mutexattr_t mat;pthread_mutexattr_init(&mat);pthread_mutexattr_settype(&mat, PTHREAD_MUTEX_NORMAL);pthread_mutex_init(&gCtx.thread[0].mutex, &mat);pthread_mutex_init(&gCtx.thread[1].mutex, &mat);pthread_cond_init(&gCtx.cond, NULL);mutex_lock(&gCtx.thread[0].mutex);mutex_lock(&gCtx.thread[1].mutex);start_coroutine((pf) coroutine_write, NULL);start_coroutine((pf) coroutine_read, NULL);run = 1;while (TRUE) {i = sched();
printf("sched thread %d to run\n", i);if (gCtx.thread[i].state == 0) {resume(i);} else break;}printf("done\n");return 0;
}

稍微需要注意下，这里读写线程在yield()里面用了额外的一对mutex_unlock()和mutex_lock()来避免和resume()中的 pthread_cond_wait()，“退出休眠并上锁互斥量”发生竞争。

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