通用線程：POSIX 線程詳解(3)
2019-11-17 05:31:51
供稿：網友
第 3 部分
內容：
條件變量
pthread_cond_wait() 小測驗
初始化和清除
等待
發送信號和廣播
工作組
隊列
data_control 代碼
調試時間
工作組代碼
代碼初排
有關清除的注重事項
創建工作
threadfunc()
join_threads()
結束語
參考資料
關于作者
相關內容：
第 2 部分：稱作互斥對象的小玩意
第 1 部分：POSIX 線程詳解
使用條件變量提高效率
作者:Daniel Robbins
本文是 POSIX 線程三部曲系列的最后一部分，Daniel 將具體討論如何使用條件變量。條件變量是 POSIX 線程結構，可以讓您在碰到某些條件時“喚醒”線程。可以將它們看作是一種線程安全的信號發送。Daniel 使用目前您所學到的知識實現了一個多線程工作組應用程序，本文將圍繞著這一示例而進行討論。
條件變量詳解
在上一篇文章結束時，我描述了一個比較非凡的難題：假如線程正在等待某個特定條件發生，它應該如何處理這種情況？它可以重復對互斥對象鎖定和解鎖，每次都會檢查共享數據結構，以查找某個值。但這是在浪費時間和資源，而且這種繁忙查詢的效率非常低。解決這個問題的最佳方法是使用 pthread_cond_wait() 調用來等待非凡條件發生。
了解 pthread_cond_wait() 的作用非常重要 -- 它是 POSIX 線程信號發送系統的核心，也是最難以理解的部分。
首先，讓我們考慮以下情況：線程為查看已鏈接列表而鎖定了互斥對象，然而該列表恰巧是空的。這一特定線程什么也干不了 -- 其設計意圖是從列表中除去節點，但是現在卻沒有節點。因此，它只能：
鎖定互斥對象時，線程將調用 pthread_cond_wait(&mycond,&mymutex)。pthread_cond_wait() 調用相當復雜，因此我們每次只執行它的一個操作。
pthread_cond_wait() 所做的第一件事就是同時對互斥對象解鎖（于是其它線程可以修改已鏈接列表），并等待條件 mycond 發生（這樣當 pthread_cond_wait() 接收到另一個線程的“信號”時，它將清醒）。現在互斥對象已被解鎖，其它線程可以訪問和修改已鏈接列表，可能還會添加項。
此時，pthread_cond_wait() 調用還未返回。對互斥對象解鎖會立即發生，但等待條件 mycond 通常是一個阻塞操作，這意味著線程將睡眠，在它清醒之前不會消耗 CPU 周期。這正是我們期待發生的情況。線程將一直睡眠，直到特定條件發生，在這期間不會發生任何浪費 CPU 時間的繁忙查詢。從線程的角度來看，它只是在等待 pthread_cond_wait() 調用返回。
現在繼續說明，假設另一個線程（稱作“2 號線程”）鎖定了 mymutex 并對已鏈接列表添加了一項。在對互斥對象解鎖之后，2 號線程會立即調用函數 pthread_cond_broadcast(&mycond)。此操作之后，2 號線程將使所有等待 mycond 條件變量的線程立即清醒。這意味著第一個線程（仍處于 pthread_cond_wait() 調用中）現在將清醒。
現在，看一下第一個線程發生了什么。您可能會認為在 2 號線程調用 pthread_cond_broadcast(&mymutex) 之后，1 號線程的 pthread_cond_wait() 會立即返回。不是那樣！實際上，pthread_cond_wait() 將執行最后一個操作：重新鎖定 mymutex。一旦 pthread_cond_wait() 鎖定了互斥對象，那么它將返回并答應 1 號線程繼續執行。那時，它可以馬上檢查列表，查看它所感愛好的更改。
停止并回顧！
那個過程非常復雜，因此讓我們先往返顧一下。第一個線程首先調用：
pthread_mutex_lock(&mymutex);
然后，它檢查了列表。沒有找到感愛好的東西，于是它調用：
pthread_cond_wait(&mycond, &mymutex);
然后，pthread_cond_wait() 調用在返回前執行許多操作：
pthread_mutex_unlock(&mymutex);
它對 mymutex 解鎖，然后進入睡眠狀態，等待 mycond 以接收 POSIX 線程“信號”。一旦接收到“信號”（加引號是因為我們并不是在討論傳統的 UNIX 信號，而是來自 pthread_cond_signal() 或 pthread_cond_broadcast() 調用的信號），它就會清醒。但 pthread_cond_wait() 沒有立即返回 -- 它還要做一件事：重新鎖定 mutex：
pthread_mutex_lock(&mymutex);
pthread_cond_wait() 知道我們在查找 mymutex “背后”的變化，因此它繼續操作，為我們鎖定互斥對象，然后才返回。
pthread_cond_wait() 小測驗
現在已回顧了 pthread_cond_wait() 調用，您應該了解了它的工作方式。應該能夠敘述 pthread_cond_wait() 依次執行的所有操作。嘗試一下。假如理解了 pthread_cond_wait()，其余部分就相當輕易，因此請重新閱讀以上部分，直到記住為止。好，讀完之后，能否告訴我在調用 pthread_cond_wait() 之前，互斥對象必須處于什么狀態？pthread_cond_wait() 調用返回之后，互斥對象處于什么狀態？這兩個問題的答案都是“鎖定”。既然已經完全理解了 pthread_cond_wait() 調用，現在來繼續研究更簡單的東西 -- 初始化和真正的發送信號和廣播進程。到那時，我們將會對包含了多線程工作隊列的 C 代碼了如指掌。
初始化和清除
條件變量是一個需要初始化的真實數據結構。以下就初始化的方法。首先，定義或分配一個條件變量，如下所示：
pthread_cond_t mycond;
然后，調用以下函數進行初始化：
pthread_cond_init(&mycond,NULL);
瞧，初始化完成了！在釋放或廢棄條件變量之前，需要毀壞它，如下所示：
pthread_cond_destroy(&mycond);
很簡單吧。接著討論 pthread_cond_wait() 調用。
等待
一旦初始化了互斥對象和條件變量，就可以等待某個條件，如下所示：
pthread_cond_wait(&mycond, &mymutex);
請注重，代碼在邏輯上應該包含 mycond 和 mymutex。一個特定條件只能有一個互斥對象，而且條件變量應該表示互斥數據“內部”的一種非凡的條件更改。一個互斥對象可以用許多條件變量（例如，cond_empty、cond_full、cond_cleanup），但每個條件變量只能有一個互斥對象。
發送信號和廣播
對于發送信號和廣播，需要注重一點。假如線程更改某些共享數據，而且它想要喚醒所有正在等待的線程，則應使用 pthread_cond_broadcast 調用，如下所示：
pthread_cond_broadcast(&mycond);
在某些情況下，活動線程只需要喚醒第一個正在睡眠的線程。假設您只對隊列添加了一個工作作業。那么只需要喚醒一個工作程序線程（再喚醒其它線程是不禮貌的！）：
pthread_cond_signal(&mycond);
此函數只喚醒一個線程。假如 POSIX 線程標準答應指定一個整數，可以讓您喚醒一定數量的正在睡眠的線程，那就更完美了。但是很可惜，我沒有被邀請參加會議。
工作組
我將演示如何創建多線程工作組。在這個方案中，我們創建了許多工作程序線程。每個線程都會檢查 wq（“工作隊列”），查看是否有需要完成的工作。假如有需要完成的工作，那么線程將從隊列中除去一個節點，執行這些特定工作，然后等待新的工作到達。
與此同時，主線程負責創建這些工作程序線程、將工作添加到隊列，然后在它退出時收集所有工作程序線程。您將會碰到許多 C 代碼，好好預備吧！
隊列
需要隊列是出于兩個原因。首先，需要隊列來保存工作作業。還需要可用于跟蹤已終止線程的數據結構。還記得前幾篇文章（請參閱本文結尾處的參考資料）中，我曾提到過需要使用帶有特定進程標識的 pthread_join 嗎？使用“清除隊列”（稱作 "cq"）可以解決無法等待任何已終止線程的問題（稍后將具體討論這個問題）。以下是標準隊列代碼。將此代碼保存到文件 queue.h 和 queue.c：
queue.h
/* queue.h
** Copyright 2000 Daniel Robbins, Gentoo Technologies, Inc.
** Author: Daniel Robbins
** Date: 16 Jun 2000
*/
typedef strUCt node {
struct node *next;
} node;
