第十章条件变量

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2023-12-01

像上一章所展示的那样，许多简单的同步问题都可以用互斥体解决。这一章中我会介绍一个更大的挑战，著名的“生产者-消费者”问题，以及一个用于解决它的新工具，条件变量。

10.1 工作队列

在一些多线程的程序中，线程被组织用于执行不同的任务。通常它们使用队列来相互通信，其中一些线程叫做“生产者”，向队列中放入数据，另一些线程叫做“消费者”，从队列取出数据。

例如，在GUI应用中，可能有一个运行GUI的线程响应用户事件，而其它线程负责处理用户的请求。这里，GUI线程可能将数据放入队列中，而“后台”线程从队列中取出请求并执行。

为了支持这种组织，我们需要一个“线程安全”的队列实现，也就是说每个线程都可以同时访问队列。我们至少需要处理一个特殊情况，队列是空的，以及如果队列的大小有限制，队列是满的。

我会从一个非线程安全的简单队列开始，之后我们会观察其中的错误并修复它。这个示例的代码在本书仓库的queue目录中。queue.c文件包含了一个环形缓冲区的基本实现。你可以在环形缓冲区的维基百科查询更多信息。

下面是结构体的定义：

typedef struct {
  int *array;
  int length;
  int next_in;
  int next_out;
} Queue;

array是包含队列元素的数组。在这个例子中，元素都是整数，但是通常它们都是一些结构体，包含用户事件、工作项目以及其它。

length是数组的长度，next_in是数组的下标，用于索引下个元素应该添加到哪里；与之相似， next_out是应该被移除的下个元素的下标。

make_queue为这个结构体分配空间，并且初始化所有字段：

Queue *make_queue(int length)
{
  Queue *queue = (Queue *) malloc(sizeof(Queue));
  queue->length = length;
  queue->array = (int *) malloc(length * sizeof(int));
  queue->next_in = 0;
  queue->next_out = 0;
  return queue;
}

next_out的初始值需要一些解释。由于队列一开始为空，没有可移除的下一个元素，所以next_out是无效的。next_out==next_in是个特殊情况，它表示队列为空，所以我们可以编写：

int queue_empty(Queue *queue)
{
  return (queue->next_in == queue->next_out);
}

现在我们可以使用queue_push向队列里面添加元素：

void queue_push(Queue *queue, int item) {
  if (queue_full(queue)) {
    perror_exit("queue is full");
  }
  
  queue->array[queue->next_in] = item;
  queue->next_in = queue_incr(queue, queue->next_in);
}

如果队列满了，queue_push打印出错误信息并退出，我之后会解释queue_full。

如果队列没有满，queue_push插入新元素，之后使用queue_incr增加next_in：

int queue_incr(Queue *queue, int i)
{
  return (i+1) % queue->length;
}

当索引i到达队列末尾时，它会转换为0。于是这样就很微妙了。如果我们持续向队列添加元素，最后next_in会赶上next_out。但是如果next_in == next_out我们会错误地认为队列是空的。

为了避免这种情况，我们定义另一种特殊情况来表示队列是满的：

int queue_full(Queue *queue)
{
  return (queue_incr(queue, queue->next_in) == queue->next_out);
}

如果next_in增加后与next_out重合，那么我们如果添加新的元素，就会使队列看起来是空的。所以我们在“末尾”留出一个元素（要记住队列的末尾可能位于任何地方，不一定是数组末尾）。

现在我们可以编写queue_pop，它移除并返回队列的下一个元素：

int queue_pop(Queue *queue) {
  if (queue_empty(queue)) {
    perror_exit("queue is empty");
  }
  
  int item = queue->array[queue->next_out];
  queue->next_out = queue_incr(queue, queue->next_out);
  return item;
}

如果你尝试从空队列中弹出元素，queue_pop会打印错误信息并退出。

10.2 生产者和消费者

现在让我们创建一些访问这个队列的线程。下面是生产者的代码：

void *producer_entry(void *arg)
{
  int i;
  Shared *shared = (Shared *) arg;

  for (i=0; i<QUEUE_LENGTH-1; i++) {
    printf("adding item %d\n", i);
    queue_push(shared->queue, i);
  }
  pthread_exit(NULL);
}

下面是消费者的代码：

void *consumer_entry(void *arg)
{
  int i;
  int item;
  Shared *shared = (Shared *) arg;

  for (i=0; i<QUEUE_LENGTH-1; i++) {
    item = queue_pop(shared->queue);
    printf("consuming item %d\n", item);
  }
  pthread_exit(NULL);
}

下面是用于启动线程并等待它们的主线程代码：

int i;
pthread_t child[NUM_CHILDREN];

Shared *shared = make_shared();

child[0] = make_thread(producer_entry, shared);
child[1] = make_thread(consumer_entry, shared);

for (i=0; i<NUM_CHILDREN; i++) {
    join_thread(child[i]);
}

最后，下面是包含队列的共享结构：

typedef struct {
  Queue *queue;
} Shared;

Shared *make_shared()
{
  Shared *shared = check_malloc(sizeof(Shared));
  shared->queue = make_queue(QUEUE_LENGTH);
  return shared;
}

到目前为止我们所写的代码是一个好的开始，但是有如下几种问题：

队列的访问不是线程安全的。不同的线程能同时访问array、next_in和next_out，并且会使队列处于损坏的、“不一致”的状态。
如果消费者首先被调度，它会发现队列为空，打印错误信息并退出。我们应该阻塞住消费者，直到队列非空。与之相似，我们应该在队列满了的情况下阻塞住生产者。

在下一节中，我们会使用互斥体解决这一个问题。之后的章节中我们会使用条件变量解决第二个问题。

10.3 互斥体

我们可以使用互斥体使队列线程安全。这个版本的代码在queue_mutex.c中。

首先我们向队列结构中添加一个互斥体指针：

typedef struct {
  int *array;
  int length;
  int next_in;
  int next_out;
  Mutex *mutex;          //-- this line is new
} Queue;

之后在make_queue中初始化互斥体：

Queue *make_queue(int length)
{
  Queue *queue = (Queue *) malloc(sizeof(Queue));
  queue->length = length;
  queue->array = (int *) malloc(length * sizeof(int));
  queue->next_in = 0;
  queue->next_out = 0;
  queue->mutex = make_mutex();   //-- new
  return queue;
}

接下来向queue_push添加同步代码：

void queue_push(Queue *queue, int item) {
  mutex_lock(queue->mutex);   //-- new
  if (queue_full(queue)) {
    mutex_unlock(queue->mutex);   //-- new
    perror_exit("queue is full");
  }
  
  queue->array[queue->next_in] = item;
  queue->next_in = queue_incr(queue, queue->next_in);
  mutex_unlock(queue->mutex);   //-- new
}

在检查队列是否已满之前，我们需要锁住互斥体。如果队列是满的，我们需要在退出之前解锁互斥体。否则线程应该保持互斥体锁住，使其它线程不能前进。

queue_pop的同步代码与之相似：

int queue_pop(Queue *queue) {
  mutex_lock(queue->mutex);
  if (queue_empty(queue)) {
    mutex_unlock(queue->mutex);
    perror_exit("queue is empty");
  }
  
  int item = queue->array[queue->next_out];
  queue->next_out = queue_incr(queue, queue->next_out);
  mutex_unlock(queue->mutex);
  return item;
}

要注意其它队列函数，queue_full、queue_empty和queue_incr都不需要锁住互斥体。任何调用这些函数的线程都需要首先锁住互斥体。这些要求是这些函数的接口文档的一部分。

使用这些额外的代码，队列就线程安全了。如果你运行它，你不会看到任何的同步错误。但是似乎消费者会在某个时间上退出，因为队列是空的。或者生产者会由于队列是满足而退出。

下一步就是添加条件变量。

10.4 条件变量

条件变量是条件相关的数据结构。它允许线程在某些条件变为真之前被阻塞。例如，thread_push可能希望检查队列是否已满，如果是这样，就在队列未满之前阻塞。所以我们感兴趣的“条件”就是“队列未满”。

与之相似，thread_pop希望等待“队列非空”的条件。

下面是我们向代码添加这些功能的方式。首先我们向队列结构中添加两个条件变量：

typedef struct {
  int *array;
  int length;
  int next_in;
  int next_out;
  Mutex *mutex;
  Cond *nonempty;   //-- new
  Cond *nonfull;    //-- new
} Queue;

之后在make_queue中初始化它们：

Queue *make_queue(int length)
{
  Queue *queue = (Queue *) malloc(sizeof(Queue));
  queue->length = length;
  queue->array = (int *) malloc(length * sizeof(int));
  queue->next_in = 0;
  queue->next_out = 0;
  queue->mutex = make_mutex();
  queue->nonempty = make_cond();   //-- new
  queue->nonfull = make_cond();    //-- new
  return queue;
}

现在在queue_pop中，如果我们发现队列为空，我们不要退出，而是使用条件变量来阻塞：

int queue_pop(Queue *queue) {
  mutex_lock(queue->mutex);
  while (queue_empty(queue)) {
    cond_wait(queue->nonempty, queue->mutex);  //-- new
  }
  
  int item = queue->array[queue->next_out];
  queue->next_out = queue_incr(queue, queue->next_out);
  mutex_unlock(queue->mutex);
  cond_signal(queue->nonfull);   //-- new
  return item;
}

cond_wait有点复杂，所以让我们慢慢来。第一个参数是条件变量。这里我们需要等待的条件是“队列非空”。第二个变量是保护队列的互斥体。在你调用cond_wait之前，你需要先锁住互斥体，否则它不会生效。

当锁住互斥体的线程调用cond_wait时，它首先解锁互斥体，之后阻塞。这非常重要。如果cond_wait不在阻塞之前解锁互斥体，其它线程就不能访问队列，不能添加任何物品，队列会永远为空。

所以当消费者阻塞在nonempty的时候，生产者也可以运行。让我们来观察生产者运行queue_push时会发生什么：

void queue_push(Queue *queue, int item) {
  mutex_lock(queue->mutex);
  while (queue_full(queue)) {
    cond_wait(queue->nonfull, queue->mutex);    //-- new
  }
  
  queue->array[queue->next_in] = item;
  queue->next_in = queue_incr(queue, queue->next_in);
  mutex_unlock(queue->mutex);
  cond_signal(queue->nonempty);  //-- new
}

让我们假设队列现在未满，于是生产者并不会调用cond_wait也不会阻塞。它会向队列添加新的元素并解锁互斥体。但是在退出之前，它做了额外的一件事：它向nonempty条件变量发送信号。

向条件变量发送更新好表示条件为真，或者至少它可能为真。如果没有任何线程在等待条件变量，信号就不起作用。

如果有线程在等待条件变量，它们全部会从cond_wait解除阻塞并且恢复执行。但是在被唤醒的进程从cond_wait返回之前，它需要等待并再次锁住互斥体。

现在我们回到queue_pop来观察当线程从cond_wait返回时会发生什么。它会循环到while语句的开头，并再次检查条件。我会在之后解释其原因，但是现在让我们假设条件为真，也就是说队列非空。

当线程从while循环退出之后，我们知道了两件事情：（1）条件为真，所以队列中至少有一个物品，（2）互斥体是锁住的，所以访问队列是安全的。

在移除物品之后，queue_pop解锁了互斥体，发送了队列未满的信号，之后退出。

在下一节我会向你展示我的Cond的工作原因，但是首先我想回答两个常见问题：

为什么cond_wait在while循环中，而不是if语句中？也就是说，为什么在从cond_wait返回之后要再次检查条件？
需要再次检查条件的首要原因就是信号拦截的可能性。假设线程A在等待nonempty，线程B向队列添加元素，之后向nonempty发送信号。线程A被唤醒并且尝试锁住互斥体，但是在轮到它之前，邪恶的线程C插进来了，锁住了互斥体，从队列中弹出物品并且解锁了互斥体。现在队列再次为空，但是线程A没有被阻塞。线程A会锁住互斥体并且从cond_wait返回。如果线程A不再次检查条件，它会尝试从空队列中弹出元素，可能会产生错误。
译者注：有些条件变量的实现可以每次只唤醒一个线程，比如Java对象的notify方法。这种情况就可以使用if。
当人们了解条件变量时，另一个问题是“条件变量怎么知道它关联了哪个条件？”
这一问题可以理解，因为在Cond结构和有关条件之间没有明显的关联。在它的使用方式中，关联是隐性的。
下面是一种理解它的办法：当你调用cond_wait时，Cond所关联的条件为假；当你调用cond_signal时它为真。当然，可能有一些条件第一种情况下为真，第二种情况下为假。正确的情况只在程序员的脑子中，所以它应该在文档中有详细的解释。

10.5 条件变量的实现

我在上一节中使用的条件变量是pthread_cond_t类型的包装，它定义在POSIX线程API中。这非常类似于Mutex，它是pthread_mutex_t的包装。两个包装都定义在utils.c和utils.h中。

下面是类型定义：

typedef pthread_cond_t Cond;

make_cond分配空间，初始化条件变量，之后返回指针：

Cond *make_cond()
{
  Cond *cond = check_malloc(sizeof(Cond)); 
  int n = pthread_cond_init(cond, NULL);
  if (n != 0) perror_exit("make_cond failed");
 
  return cond;
}

下面是cond_wait和cond_signal的包装：

void cond_wait(Cond *cond, Mutex *mutex)
{
  int n = pthread_cond_wait(cond, mutex);
  if (n != 0) perror_exit("cond_wait failed");
}

void cond_signal(Cond *cond)
{
  int n = pthread_cond_signal(cond);
  if (n != 0) perror_exit("cond_signal failed");
}

到这里就应该没有什么意外的东西了。