操作系统中的并发控制——使用条件变量同步

本期主题：
操作系统中的并发控制，条件变量

往期链接：

• linux设备驱动中的并发
• 操作系统中的多线程问题——原子操作、自旋锁的底层实现
• 操作系统并发控制——使用互斥锁实现同步

1. 问题描述

参考上一篇文章 操作系统并发控制——使用互斥锁实现同步 的问题，还是这个场景：
典型的同步场景—— 生产者、消费者问题

• 生产者：生产（任务）资源，放入队列中
• 消费者：从队列中取出任务来执行

假设这么一个场景：

1. 生产者任务负责打印 左括号，“(”
2. 消费者任务负责打印 右括号，“)”
3. 括号的深度可以变化，例如 3就是代表最多同时3个左括号
4. 最终打印出来的括号要符合语法，这就需要 先生产再消费（即先打印左括号，再打印右括号）

2. 条件变量的API讲解

条件变量的概念：

1. 条件变量 用于线程之间的通信。
2. 一个线程等待某个条件满足，而另一个线程在条件满足时发出信号通知等待的线程继续执行。
3. 需要结合 互斥锁，以防止多个线程同时修改共享数据。

pthread_cond_wait()：

使线程进入等待状态，直到接收到另一个线程发出的条件信号。调用时必须持有互斥锁，并且当该函数被调用时，会自动释放互斥锁，直到线程被唤醒后再重新获取锁。

pthread_cond_signal()：

发送信号唤醒等待条件的一个线程。如果有多个线程在等待，只唤醒其中一个。

pthread_cond_broadcast()：

唤醒所有等待该条件的线程。

3. 条件变量来解决上述同步

对于生产者任务而言：

1. 进程进来先拿锁
2. 拿完锁，判断是否当前有n个左括号，条件满足的话就使用cond_wait()，释放锁并进入休眠，否则打印然后释放锁

对于消费者任务而言：

1. 进程进来先拿锁
2. 拿完锁，判断现在左括号是否为0，条件满足的话就使用cond_wait()，释放锁并进入休眠，否则打印然后释放锁

这里用条件变量比上篇文章只用互斥的好处在于：

看代码：

#include "thread.h"
#include "thread-sync.h"

int n, count = 0;
mutex_t lk = MUTEX_INIT();
cond_t cv = COND_INIT();

void Tproduce() {
  while (1) {
    mutex_lock(&lk);
    if (count == n) {
      cond_wait(&cv, &lk);
    }
    printf("("); count++;
    cond_signal(&cv);
    mutex_unlock(&lk);
  }
}

void Tconsume() {
  while (1) {
    mutex_lock(&lk);
    if (count == 0) {
      cond_wait(&cv, &lk);
    }
    printf(")"); count--;
    cond_signal(&cv);
    mutex_unlock(&lk);
  }
}

int main(int argc, char *argv[]) {
  assert(argc == 2);
  n = atoi(argv[1]);
  setbuf(stdout, NULL);
  for (int i = 0; i < 2; i++) {
    create(Tproduce);
    create(Tconsume);
  }
}

运行结果：

我们发现有问题

4. 问题分析及修复

修改方案：

1. 进入休眠的条件不能只用 if 判断一次，因为不知道是谁唤醒的自己
2. 条件signal的时候，需要广播，唤醒所有的

改后代码如下：

#include "thread.h"
#include "thread-sync.h"

int n, count = 0;
mutex_t lk = MUTEX_INIT();
cond_t cv = COND_INIT();

void Tproduce() {
  while (1) {
    mutex_lock(&lk);
    while (count == n) {
      cond_wait(&cv, &lk);
    }
    printf("("); count++;
    cond_broadcast(&cv);
    mutex_unlock(&lk);
  }
}

void Tconsume() {
  while (1) {
    mutex_lock(&lk);
    while (count == 0) {
      cond_wait(&cv, &lk);
    }
    printf(")"); count--;
    cond_broadcast(&cv);
    mutex_unlock(&lk);
  }
}

int main(int argc, char *argv[]) {
  assert(argc == 2);
  n = atoi(argv[1]);
  setbuf(stdout, NULL);
  for (int i = 0; i < 2; i++) {
    create(Tproduce);
    create(Tconsume);
  }
}

这样就OK了，测试结果：