使用条件变量

本文是 POSIX 线程三部曲系列的最后一部分，Daniel 将详细讨论如何使用条件变量。条件变量是 POSIX 线程结构，可以让您在遇到某些条件时“唤醒”线程。可以将它们看作是一种线程安全的信号发送。Daniel 使用目前您所学到的知识实现了一个多线程工作组应用程序，本文将围绕着这一示例而进行讨论。

条件变量详解

在 上一篇文章结束时，我描述了一个比较特殊的难题：如果线程正在等待某个特定条件发生，它应该如何处理这种情况？它可以重复对互斥对象锁定和解锁，每次都会检查共享数据结构，以查找某个值。但这是在浪费时间和资源，而且这种繁忙查询的效率非常低。解决这个问题的最佳方法是使用 pthread_cond_wait() 调用来等待特殊条件发生。

了解 pthread_cond_wait() 的作用非常重要 -- 它是 POSIX 线程信号发送系统的核心，也是最难以理解的部分。首先，让我们考虑以下情况：线程为查看已链接列表而锁定了互斥对象，然而该列表恰巧是空的。这一特定线程什么也干不了 -- 其设计意图是从列表中除去节点，但是现在却没有节点。因此，它只能：锁定互斥对象时，线程将调用 pthread_cond_wait(&mycond,&mymutex)。pthread_cond_wait() 调用相当复杂，因此我们每次只执行它的一个操作。

pthread_cond_wait() 所做的第一件事就是同时对互斥对象解锁（于是其它线程可以修改已链接列表），并等待条件 mycond 发生（这样当 pthread_cond_wait() 接收到另一个线程的“信号”时，它将苏醒）。现在互斥对象已被解锁，其它线程可以访问和修改已链接列表，可能还会添加项。此 时，pthread_cond_wait() 调用还未返回。对互斥对象解锁会立即发生，但等待条件 mycond 通常是一个阻塞操作，这意味着线程将睡眠，在它苏醒之前不会消耗 CPU 周期。这正是我们期待发生的情况。线程将一直睡眠，直到特定条件发生，在这期间不会发生任何浪费 CPU 时间的繁忙查询。从线程的角度来看，它只是在等待 pthread_cond_wait() 调用返回。

现在继续说明，假 设另一个线程（称作“2 号线程”）锁定了 mymutex 并对已链接列表添加了一项。在对互斥对象解锁之后，2 号线程会立即调用函数 pthread_cond_broadcast(&mycond)。此操作之后，2 号线程将使所有等待 mycond 条件变量的线程立即苏醒。这意味着第一个线程（仍处于 pthread_cond_wait() 调用中）现在将苏醒。

现在，看一下第一个线程发生了什么。您可能会认为在 2 号线程调用 pthread_cond_broadcast(&mymutex) 之后，1 号线程的 pthread_cond_wait() 会立即返回。不是那样！实际上，pthread_cond_wait() 将执行最后一个操作：重新锁定 mymutex。一旦 pthread_cond_wait() 锁定了互斥对象，那么它将返回并允许 1 号线程继续执行。那时，它可以马上检查列表，查看它所感兴趣的更改。

停止并回顾！

那个过程非常复杂，因此让我们先来回顾一下。第一个线程首先调用：
pthread_mutex_lock(&mymutex);
然后，它检查了列表。没有找到感兴趣的东西，于是它调用：
pthread_cond_wait(&mycond, &mymutex);
然后，pthread_cond_wait() 调用在返回前执行许多操作：
pthread_mutex_unlock(&mymutex);

它对 mymutex 解锁，然后进入睡眠状态，等待 mycond 以接收 POSIX 线程“信号”。一旦接收到“信号”（加引号是因为我们并不是在讨论传统的 UNIX 信号，而是来自 pthread_cond_signal() 或 pthread_cond_broadcast() 调用的信号），它就会苏醒。但 pthread_cond_wait() 没有立即返回 -- 它还要做一件事：重新锁定 mutex： pthread_mutex_lock(&mymutex);

pthread_cond_wait() 知道我们在查找 mymutex “背后”的变化，因此它继续操作，为我们锁定互斥对象，然后才返回。

pthread_cond_wait() 小测验

现在已回顾了 pthread_cond_wait() 调用，您应该了解了它的工作方式。应该能够叙述 pthread_cond_wait() 依次执行的所有操作。尝试一下。如果理解了 pthread_cond_wait()，其余部分就相当容易，因此请重新阅读以上部分，直到记住为止。好，读完之后，能否告诉我在调用 pthread_cond_wait() 之 前，互斥对象必须处于什么状态？pthread_cond_wait() 调用返回之后，互斥对象处于什么状态？这两个问题的答案都是“锁定”。既然已经完全理解了 pthread_cond_wait() 调用，现在来继续研究更简单的东西 -- 初始化和真正的发送信号和广播进程。到那时，我们将会对包含了多线程工作队列的 C 代码了如指掌。

初始化和清除

条件变量是一个需要初始化的真实数据结构。以下就初始化的方法。首先，定义或分配一个条件变量，如下所示：
pthread_cond_t mycond;
然后，调用以下函数进行初始化：
pthread_cond_init(&mycond,NULL);
瞧，初始化完成了！在释放或废弃条件变量之前，需要毁坏它，如下所示：
pthread_cond_destroy(&mycond);
很简单吧。接着讨论 pthread_cond_wait() 调用。

等待

一旦初始化了互斥对象和条件变量，就可以等待某个条件，如下所示：
pthread_cond_wait(&mycond, &mymutex);

请注意，代码在逻辑上应该包含 mycond 和 mymutex。一个特定条件只能有一个互斥对象，而且条件变量应该表示互斥数据“内部”的一种特殊的条件更改。一个互斥对象可以用许多条件变量（例如， cond_empty、cond_full、cond_cleanup），但每个条件变量只能有一个互斥对象。

发送信号和广播

对于发送信号和广播，需要注意一点。如果线程更改某些共享数据，而且它想要唤醒所有正在等待的线程，则应使用 pthread_cond_broadcast 调用，

如下所示：
pthread_cond_broadcast(&mycond);

在某些情况下，活动线程只需要唤醒第一个正在睡眠的线程。假设您只对队列添加了一个工作作业。那么只需要唤醒一个工作程序线程（再唤醒其它线程是不礼貌的！）： pthread_cond_signal(&mycond);此函数只唤醒一个线程。如果 POSIX 线程标准允许指定一个整数，可以让您唤醒一定数量的正在睡眠的线程，那就更完美了。但是很可惜，我没有被邀请参加会议。

工作组

我将演示如何创建多线程工作组。在这个方案中，我们创建了许多工作程序线程。每个线程都会检查 wq（“工作队列”），查看是否有需要完成的工作。如果有需要完成的工作，那么线程将从队列中除去一个节点，执行这些特定工作，然后等待新的工作到达。与此同时，主线程负责创建这些工作程序线程、将工作添加到队列，然后在它退出时收集所有工作程序线程。您将会遇到许多 C 代码，好好准备吧！

队列

需要队列是出于两个原因。首先，需要队列来保存工作作业。还需要可用于跟踪已终止线程的数据结构。还记得前几篇文章（请参阅本文结尾处的 参考资料）中，我曾提到过需要使用带有特定进程标识的 pthread_join 吗？使用“清除队列”（称作 "cq"）可以解决无法等待 任何已终止线程的问题（稍后将详细讨论这个问题）。以下是标准队列代码。将此代码保存到文件 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;
typedef struct queue {
node *head, *tail;
} queue;
void queue_init(queue *myroot);
void queue_put(queue *myroot, node *mynode);
node *queue_get(queue *myroot);
queue.c
/* queue.c
** Copyright 2000 Daniel Robbins, Gentoo Technologies, Inc.
** Author: Daniel Robbins
** Date: 16 Jun 2000
**
** This set of queue functions was originally thread-aware. I
** redesigned the code to make this set of queue routines
** thread-ignorant (just a generic, boring yet very fast set of queue
** routines). Why the change? Because it makes more sense to have
** the thread support as an optional add-on. Consider a situation
** where you want to add 5 nodes to the queue. With the
** thread-enabled version, each call to queue_put() would
** automatically lock and unlock the queue mutex 5 times -- that's a
** lot of unnecessary overhead. However, by moving the thread stuff
** out of the queue routines, the caller can lock the mutex once at
** the beginning, then insert 5 items, and then unlock at the end.
** Moving the lock/unlock code out of the queue functions allows for
** optimizations that aren't possible otherwise. It also makes this
** code useful for non-threaded applications.
**
** We can easily thread-enable this data structure by using the
** data_control type defined in control.c and control.h. */
#include <stdio.h>
#include "queue.h"
void queue_init(queue *myroot) {
myroot->head=NULL;
myroot->tail=NULL;
}
void queue_put(queue *myroot,node *mynode) {
mynode->next=NULL;
if (myroot->tail!=NULL)
myroot->tail->next=mynode;
myroot->tail=mynode;
if (myroot->:head==NULL)
myroot->head=mynode;
}
node *queue_get(queue *myroot) {
//get from root
node *mynode;
mynode=myroot->head;
if (myroot->head!=NULL)
myroot->head=myroot->head->next;
return mynode;
}

data_control 代码

我编写的并不是线程安全的队列例程，事实上我创建了一个“数据包装”或“控制”结构，它可以是任何线程支持的数据结构。看一下 control.h：
control.h
#include
typedef struct data_control {
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;
int active;
} data_control;
现在您看到了 data_control 结构定义，以下是它的视觉表示：
所使用的 data_control 结构
<!--[if !vml]--> <!--[endif]-->

图 像中的锁代表互斥对象，它允许对数据结构进行互斥访问。黄色的星代表条件变量，它可以睡眠，直到所讨论的数据结构改变为止。on/off 开关表示整数 "active"，它告诉线程此数据是否是活动的。在代码中，我使用整数 active 作为标志，告诉工作队列何时应该关闭。以下是 control.c：

control.c
/* control.c
** Copyright 2000 Daniel Robbins, Gentoo Technologies, Inc.
** Author: Daniel Robbins
** Date: 16 Jun 2000
**
** These routines provide an easy way to make any type of
** data-structure thread-aware. Simply associate a data_control
** structure with the data structure (by creating a new struct, for
** example). Then, simply lock and unlock the mutex, or
** wait/signal/broadcast on the condition variable in the data_control
** structure as needed.
**
** data_control structs contain an int called "active". This int is
** intended to be used for a specific kind of multithreaded design,
** where each thread checks the state of "active" every time it locks
** the mutex. If active is 0, the thread knows that instead of doing
** its normal routine, it should stop itself. If active is 1, it
** should continue as normal. So, by setting active to 0, a
** controlling thread can easily inform a thread work crew to shut
** down instead of processing new jobs. Use the control_activate()
** and control_deactivate() functions, which will also broadcast on
** the data_control struct's condition variable, so that all threads
** stuck in pthread_cond_wait() will wake up, have an opportunity to
** notice the change, and then terminate.
*/
#include "control.h"
int control_init(data_control *mycontrol) {
int mystatus;
if (pthread_mutex_init(&(mycontrol->mutex),NULL))
return 1;
if (pthread_cond_init(&(mycontrol->cond),NULL))
return 1;
mycontrol->active=0;
return 0;
}
int control_destroy(data_control *mycontrol) {
int mystatus;
if (pthread_cond_destroy(&(mycontrol->cond)))
return 1;
if (pthread_cond_destroy(&(mycontrol->cond)))
return 1;
mycontrol->active=0;
return 0;
}
int control_activate(data_control *mycontrol) {
int mystatus;
if (pthread_mutex_lock(&(mycontrol->mutex)))
return 0;
mycontrol->active=1;
pthread_mutex_unlock(&(mycontrol->mutex));
pthread_cond_broadcast(&(mycontrol->cond));
return 1;
}
int control_deactivate(data_control *mycontrol) {
int mystatus;
if (pthread_mutex_lock(&(mycontrol->mutex)))
return 0;
mycontrol->active=0;
pthread_mutex_unlock(&(mycontrol->mutex));
pthread_cond_broadcast(&(mycontrol->cond));
return 1;
}