[development][C] 条件变量(condition variables)的应用场景是什么

 

产生这个问题的起因是这样的:

‎[16:41] ‎<‎tong‎>‎ lilydjwg: 主线程要启动N个子线程, 一个局部变量作为把同样的参数传入每一个子线程. 子线程在开始的十行会处理完参数. 我发现这中间会有同步问题. 需要锁一下, 或者主线程要线性的逐个完成初始化.
‎[16:42] ‎<‎tong‎>‎ 主线程就是一个i<N的循环. 局部变量会根据i
‎[16:42] ‎<‎tong‎>‎ 修改
‎‎[16:53] <‎tong‎>‎ 就是, 线程A阻塞,  等待线程B处理完资源X后, 线程A将X的内容修改. 

很显然, 这个问题, 只需要用一个信号量便可解决.

但是有没有更好的方式呢?, 于是我想到了条件变量, 细研究了条件变量的用法之后发现, 条件变量需要一个条件变量同时还需要一个互斥锁来混合使用. 虽然可以实现我的需求, 但是很显然这很麻烦.

所以, 问题在于, 这么麻烦的一组API, 它的应用场景是什么?

 

经过查看资料, 分析, 讨论.之后. 大概的结论如下:

‎[17:55] ‎<‎tong‎>‎ 当条件复杂的时候, 就需要条件变量了. 写起来也会比较方便. 我的场景简单,就用信号量就行了. 大概是这么理解的

一个比较详细的解释:

 https://www.zhihu.com/question/30641734

作者：钓雪
链接：https://www.zhihu.com/question/30641734/answer/105402533
来源：知乎
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需要condition变量的原因本质上就是程序执行顺序的不确定性.管程(monitor)只是保证了同一时刻只有一个进程在管程内活动,即管程内定义的操作在同一时刻只被一个进程调用(由编译器实现).但是这样并不能保证进程以设计的顺序执行,因此需要设置condition变量,让进入管程而无法继续执行的进程阻塞自己.也可以这么说,由于程执行顺序的不确定性,进程在entry序列中的顺序并不一定是我们想要的,而condition变量就是用来操作entry序列的.有了condition变量,我们就可以让在自己前驱进程之前提前进入管程的进程挂起自己,退回到entry序列中重新排队.具体来说: 以生产者-消费者问题(也称有限缓冲问题)为例, 如果我们不使用信号量(semaphore)而简单的用整形变量count来记录buffer中的数据项数目, 用系统调用sleep()阻塞进程 和 wakeup() 唤醒进程 程序如下#define TRUE 1
#define MAX 100

void insert_item(int);
int  remove_item();

int count = 0;

void producer()
{
    int item;

    while(TRUE)
    {
        item = produce_item(); 
        if( count == MAX ) sleep();
        insert_item(item);
        count += 1;
        if( count == 1) wakeup(consumer); /*buffer由空变非空后唤醒挂起的消费者*/
    }
}

void consumer()
{
    int item;

    while(TRUE)
    {
        if( count == 0 ) sleep();
        item = remove_item();
        count -= 1;
        /*buffer由满变不满后唤醒生产者*/
        if( count == MAX - 1 ) wakeup(producer);
        consume_item(item);         
    }
} 
这样写的问题在于 我们不能保证 count 变量的互斥访问.如果producer在consumersleep之前发送wakeup信号便会导致错误,程序执行顺序如下1. 消费者 在检查到count == 0而未休眠2. 生产者 执行 count += 1 并且向 消费者发送 wakeup信号,3. 由于此时消费者并未sleep,wakeup信号丢失4. 之后消费者执行sleep休眠5. 生产者不断生产而消费者休眠直到buffer填满6. 生产者消费者都休眠,无法相互唤醒如果我们将访问count变量的过程写入管程中,就可以使两个进程对count进行互斥访问,从而解决这个问题.但是,管程并不知道编程者的逻辑,它并不能在生产者在count == MAX时挂起自己,也不能在 count == MAX - 1 时唤醒生产者,这时就需要使用条件变量.我们定义管程#define MAX 100

/* 定义管程 PC */
monitor PC
{
    int count = 0; 
    /* 我们使用条件变量full 表示被填满的buffer, empty 表示空的buffer */
    conditon full, empty;

    void insert(int item)
    {
        /* 当buffer满的时候,我们在full上将插入操作阻塞 */
        if ( count == MAX ) wait(&full);
        insert_item(item);
        count += 1;
        /* 当buffer不空的时候,我们在empty上唤醒取出操作 */
        if ( count == MAX -1 ) signal(&empty);    
    }

    int remove()
    {
        /* 当buffer空的时候,我们在empty上将取出操作阻塞 */
        if( count == 0 ) wait(&empty);
        remove_item(item);
        count -= 1;
        /* 当buffer不满的时候,我们在full上唤醒插入操作 */
        return item;
        if( count == MAX - 1) signal(&full);
    }
}

    void producer()
    {
        int item;
        item = produce_item();
        /*调用管程中的函数 */
        PC.insert(item);
    }
    
    void consumer()
    {
        int item;
        /*调用管程中的函数 */
        item = PC.remove();
        consumer_item();
    }
*** 注意 以上代码 用类似于C的代码写成 ,但 C语言并不支持管程 ****** JAVA 支持管程 在method前加sychronized 关键字 可以保证在一个线程调用   ****** synchronized method时 不允许其他线程调用该对象中其他synchronized method  ***这样以来, 由于管程保证内部内部操作的互斥性,操作就不会wait()的前一刻被signal(),从而不会发生生产者和消费者都被阻塞而无法相互唤醒的情况了.同时我们的生产者和消费者也可以在恰当的时候阻塞自己.条件变量不止存在于管程中,在多线程库中也是普遍存在的.Unix的多线程库Pthread中也使用条件变量协调进程的同步.

 

另外, 原来, 这个东西叫管程 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%9B%A3%E8%A6%96%E5%99%A8_(%E7%A8%8B%E5%BA%8F%E5%90%8C%E6%AD%A5%E5%8C%96)#.E6.A2.9D.E4.BB.B6.E8.AE.8A.E6.95.B8.28Condition_Variable.29

值得一提的是:　东尼·霍尔证明了管程在逻辑上与信号量是等价的。

 

此外，还发现了一个以前没有接触过的概念和ＡＰＩ　pthread_barrier_wait

http://pubs.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/pthread_barrier_wait.html

 

最后，顺便一贴，没啥关系的

https://jin-yang.github.io/post/program-c-linux-pthreads-synchronize.html

 

－－－－－－－－－－－－－　新的想法　＠　２０１７－１１－０９　－－－－－－－－－－－－－－－－

基于昨天讨论的条件变量和信号量等价问题． 我发现原来互斥锁也是信号量实现的． 那是不是说，在线程或进程同步的时候，光有信号量就够了？