c - 等待条件变量时是否需要互斥锁？ [带有示例代码]

Question

在我的程序中，我必须首先初始化工作线程，然后初始化线程资源。一旦资源被初始化，它就会被线程消耗，并且在资源初始化之前线程无法启动。我想控制对资源队列的访问并维护资源计数。资源消耗完后，我想杀掉线程。假设互斥体已正确初始化。为了解决这个问题，我尝试了以下方法:

pthread_mutex_t resource_mutex;
pthread_mutex_t unit_mutex;
pthread_cond_t  resource_consumed;
pthread_cond_t  start_consuming;

main.c

// 1) Initialize threads
...
// 2) Initialize resources
...
// global extern variable of type int
resource_units = 10;
pthread_cond_broadcast(&start_consuming, &resource_mutex);

pthread_mutex_lock(&unit_mutex);
pthread_cond_wait(&resource_consumed, &unit_mutex);
// kill or join threads
...
pthread_mutex_unlock(&unit_mutex);
return;

线程.c

pthread_cond_wait(&start_consuming, &resource_mutex);
for( ; ; ) {
    pthread_mutex_lock(&resource_mutex);
    // consume resource unit
    ...
    pthread_mutex_unlock(&resource_mutex);

    pthread_mutex_lock(&unit_mutex);
    resource_units --;
    if (resource_units == 0)
        pthread_cond_signal(&resource_consumed);
    pthread_mutex_unlock(&unit_mutex);
}

但是，当我启动这个程序时，它卡在第一个 mutex_lock 上。我想我可能误解了条件变量的用法，并且想了解如何在 MT 程序中实现我想要的同步控制。

Answer 1

是的，需要互斥体才能正确使用 POSIX 条件变量。条件变量用于指示某些共享状态可能已更改，并且涉及的互斥体可保护该共享状态免遭并发访问。

您的线程启动条件未正确检查任何共享状态 - 它试图仅等待条件变量，这是不正确的。您可以通过将 resource_units 初始化为 -1 来解决此问题，然后等待它在工作线程开始时变为非负数。 resource_units 受 unit_mutex 保护，因此这是要锁定并传递给 pthread_cond_wait() 的正确互斥锁:

(线程.c)

pthread_mutex_lock(&unit_mutex);
while (resource_units < 0)
    pthread_cond_wait(&start_consuming, &unit_mutex);
pthread_mutex_unlock(&unit_mutex);

main.c中的相应代码应首先初始化资源，然后设置resource_units并发出start_consuming信号。它必须在 resource_units 更新周围锁定 unit_mutex:

(main.c)

// 1) Initialize threads
...
// 2) Initialize resources
...
// global extern variable of type int initialised to -1
pthread_mutex_lock(&unit_mutex);
resource_units = 10;
pthread_cond_broadcast(&start_consuming);
pthread_mutex_unlock(&unit_mutex);

(请注意，您不能将 resource_units 初始化为 0 并等待它变为非零，因为资源有可能会被初始化并且然后在一个工作线程获得互斥锁之前，所有的工作线程都会被其他工作线程消耗 - 所以它最终会永远卡在那里。-1之所以有效，是因为在资源初始化之后，resource_units将永远不会回来再次达到该值。)

thread.c 末尾的代码(当 resource_units 达到零时发出 resource_consumed 信号)是正确的。 main.c 中的相应代码需要检查共享状态 (resource_units)。当它尝试加入线程时，它无法保持 unit_mutex 锁定，因为线程可能会锁定该互斥锁，因此会出现死锁:

(main.c)

pthread_mutex_lock(&unit_mutex);
while (resource_units > 0)
    pthread_cond_wait(&resource_consumed, &unit_mutex);
pthread_mutex_unlock(&unit_mutex);
// join threads
...

您应该允许线程自行退出并加入它们 - 杀死线程比让它们以定义的方式退出更难推理。在这种情况下，当 resource_units 达到零时，它们似乎应该退出。它们还应该仅在减少 resource_units 之后才获取资源(以确保多个线程不会尝试获取最后一个资源)。在检查resource_units时必须持有unit_mutex，因此完整的thread.c将如下所示:

pthread_mutex_lock(&unit_mutex);
while (resource_units < 0)
    pthread_cond_wait(&start_consuming, &unit_mutex);

/* unit_mutex still held */
while (resource_units > 0)
{
    /* decrement resource_units because we will consume a resource */
    resource_units--;
    if (resource_units == 0)
        pthread_cond_signal(&resource_consumed);
    pthread_mutex_unlock(&unit_mutex);

    pthread_mutex_lock(&resource_mutex);
        // consume resource unit
        ...
    pthread_mutex_unlock(&resource_mutex);

    /* unit_mutex must be held at start of loop */
    pthread_mutex_lock(&unit_mutex);
}
pthread_mutex_unlock(&unit_mutex);

现在您可能根本不需要 resource_mutex - 如果您使资源队列受 unit_mutex 保护，则可以在递减 后使资源出列resources_units 和解锁 unit_mutex 之前。