linux同步异步(linux共享内存)
大家好，感谢邀请，今天来为大家分享一下linux同步异步的问题，以及和linux共享内存的一些困惑，大家要是还不太明白的话，也没有关系，因为接下来将为大家分享，希望可以帮助到大家，解决大家的问题，下面就开始吧！
Linux异步IO
Linux中最常用的IO模型是同步IO，在这个模型中，当请求发出之后，应用程序就会阻塞，直到请求满足条件为止。这是一种很好的解决方案，调用应用程序在等待IO完成的时候不需要占用CPU，但是在很多场景中，IO请求可能需要和CPU消耗交叠，以充分利用CPU和IO提高吞吐率。
下图描绘了异步IO的时序，应用程序发起IO操作后，直接开始执行，并不等待IO结束，它要么过一段时间来查询之前的IO请求完成情况，要么IO请求完成了会自动被调用与IO完成绑定的回调函数。
Linux的AIO有多种实现，其中一种实现是在用户空间的glibc库中实现的，本质上是借用了多线程模型，用开启的新的线程以同步的方式做IO，新的AIO辅助线程与发起AIO的线程以pthread_cond_signal()的形式进行线程间的同步，glibc的AIO主要包含以下函数：
1、aio_read()
aio_read()函数请求对一个有效的文件描述符进行异步读操作。这个文件描述符可以代表一个文件、套接字，甚至管道，aio_read()函数原型如下：
aio_read（）函数在请求进行排队之后就会立即返回（尽管读操作并未完成），如果执行成功就返回0，如果出现错误就返回-1。参数aiocb（AIO I/O Control Block）结构体包含了传输的所有信息，以及为AIO操作准备的用户空间缓冲区。在产生IO完成通知时，aiocb结构就被用来唯一标识所完成的IO操作。
2.aio_write()
aio_write()函数用来请求一个异步写操作。函数原型如下：
aio_write（）函数会立即返回，并且它的请求以及被排队（成功时返回值为0，失败时返回值为-1）
3.aio_error()
aio_error()函数被用来确定请求的状态，其原型如下：
该函数的返回：
4.aio_return()
异步IO和同步阻塞IO方式之间有一个区别就是不能立即访问函数的返回状态，因为异步IO没有阻塞在read()调用上。在标准的同步阻塞read()调用中，返回状态是在该函数返回时提供的。
但是在异步IO中，我们要用aio_return()函数，原型如下：
只有在aio_error()调用确定请求已经完成（可能成功、也可能发生了错误）之后，才会调用这个函数，aio_return()的返回值就等价于同步情况中read()或者write系统调用的返回值。
5.aio_suspend()
用户可以用该函数阻塞调用进程，直到异步请求完成为止，调用者提供了一个aiocb引用列表，其中任何一个完成都会导致aio_suspend()返回。函数原型如下：
6.aio_cancel()
该函数允许用户取消对某个文件描述符执行的一个或所以IO请求。
要取消一个请求，用户需要提供文件描述符和aiocb指针，如果这个请求被成功取消了，那么这个函数就会返回AIO_CANCELED。如果请求完成了，就会返回AIO_NOTCANCELED。
7.lio_listio()
lio_listio()函数可用于同时发起多个传输。这个函数非常重要，它使得用户可以在一个系统调用中启动大量的IO操作，原型如下：
mode参数可以是LIO_WAIT或者是LIO_NOWAIT。LIO_WAIT会阻塞这个调用，直到所有的IO都返回为止，若是LIO_NOWAIT模型，在IO操作完成排队之后，该函数就会返回。list是一个aiocb的列表，最大元素的个数是由nent定义的。如果list的元素为null，lio_listio（）会将其忽略。
什么是“同步IO”和“异步IO”
同步IO在同一时刻只允许一个IO操作，也就是说对于同一个文件句柄的IO操作是序列化的，即使使用两个线程也不能同时对同一个文件句柄同时发出读写操作。重叠IO允许一个或多个线程同时发出IO请求。
异步IO的概念和同步IO相对。当一个异步过程调用发出后，调用者不能立刻得到结果。实际处理这个调用的部件在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者。在一个CPU密集型的应用中，有一些需要处理的数据可能放在磁盘上。预先知道这些数据的位置，所以预先发起异步IO读请求。等到真正需要用到这些数据的时候，再等待异步IO完成。使用了异步IO，在发起IO请求到实际使用数据这段时间内，程序还可以继续做其他事情。
linux 多进程信号同步问题
朋友你好：希望能帮到你。互相学习。
线程的最大特点是资源的共享性，但资源共享中的同步问题是多线程编程的难点。linux下提供了多种方式来处理线程同步，最常用的是互斥锁、条件变量和信号量。
1）互斥锁（mutex）
通过锁机制实现线程间的同步。同一时刻只允许一个线程执行一个关键部分的代码。
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t*mutex,const pthread_mutex_attr_t*mutexattr);
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex*mutex);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex*mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex*
(1)先初始化锁init()或静态赋值pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIER
attr_t有:
PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP:其余线程等待队列
PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP:嵌套锁,允许线程多次加锁,不同线程,解锁后重新竞争
PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP:检错,与一同,线程请求已用锁,返回EDEADLK;
PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP:适应锁,解锁后重新竞争
(2)加锁,lock,trylock,lock阻塞等待锁,trylock立即返回EBUSY
(3)解锁,unlock需满足是加锁状态,且由加锁线程解锁
(4)清除锁,destroy(此时锁必需unlock,否则返回EBUSY,//Linux下互斥锁不占用内存资源
示例代码
#include<cstdio>
#include<cstdlib>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
#include"iostream"
using namespace std;
pthread_mutex_t mutex= PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int tmp;
void* thread(void*arg)
{
cout<<"thread id is"<< pthread_self()<< endl;
pthread_mutex_lock(&mutex);
tmp= 12;
cout<<"Now a is"<< tmp<< endl;
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return NULL;
}
int main()
{
pthread_t id;
cout<<"main thread id is"<< pthread_self()<< endl;
tmp= 3;
cout<<"In main func tmp="<< tmp<< endl;
if(!pthread_create(&id, NULL, thread, NULL))
{
cout<<"Create thread success!"<< endl;
}
else
{
cout<<"Create thread failed!"<< endl;
}
pthread_join(id, NULL);
pthread_mutex_destroy(&mutex);
return 0;
}
编译： g++-o thread testthread.cpp-lpthread
说明：pthread库不是Linux系统默认的库，连接时需要使用静态库libpthread.a，所以在使用pthread_create()创建线程，以及调用pthread_atfork()函数建立fork处理程序时，需要链接该库。在编译中要加-lpthread参数。
2）条件变量（cond）
利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制。条件变量上的基本操作有：触发条件(当条件变为 true时)；等待条件，挂起线程直到其他线程触发条件。
int pthread_cond_init(pthread_cond_t*cond,pthread_condattr_t*cond_attr);
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t*cond,pthread_mutex_t*mutex);
int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t*cond,pthread_mutex*mutex,const timespec*abstime);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t*cond);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t*cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t*cond);//解除所有线程的阻塞
(1)初始化.init()或者pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIER（前者为动态初始化，后者为静态初始化）;属性置为NULL
(2)等待条件成立.pthread_wait,pthread_timewait.wait()释放锁,并阻塞等待条件变量为真，timewait()设置等待时间,仍未signal,返回ETIMEOUT(加锁保证只有一个线程wait)
(3)激活条件变量:pthread_cond_signal,pthread_cond_broadcast(激活所有等待线程)
(4)清除条件变量:destroy;无线程等待,否则返回EBUSY
对于
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t*cond, pthread_mutex_t*mutex);
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t*cond, pthread_mutex_t*mutex, const struct timespec*abstime);
一定要在mutex的锁定区域内使用。
如果要正确的使用pthread_mutex_lock与pthread_mutex_unlock，请参考
pthread_cleanup_push和pthread_cleanup_pop宏，它能够在线程被cancel的时候正确的释放mutex！
另外，posix1标准说，pthread_cond_signal与pthread_cond_broadcast无需考虑调用线程是否是mutex的拥有者，也就是说，可以在lock与unlock以外的区域调用。如果我们对调用行为不关心，那么请在lock区域之外调用吧。
说明：
(1)pthread_cond_wait自动解锁互斥量(如同执行了pthread_unlock_mutex)，并等待条件变量触发。这时线程挂起，不占用CPU时间，直到条件变量被触发（变量为ture）。在调用 pthread_cond_wait之前，应用程序必须加锁互斥量。pthread_cond_wait函数返回前，自动重新对互斥量加锁(如同执行了pthread_lock_mutex)。
(2)互斥量的解锁和在条件变量上挂起都是自动进行的。因此，在条件变量被触发前，如果所有的线程都要对互斥量加锁，这种机制可保证在线程加锁互斥量和进入等待条件变量期间，条件变量不被触发。条件变量要和互斥量相联结，以避免出现条件竞争——个线程预备等待一个条件变量，当它在真正进入等待之前，另一个线程恰好触发了该条件（条件满足信号有可能在测试条件和调用pthread_cond_wait函数（block）之间被发出，从而造成无限制的等待）。
(3)pthread_cond_timedwait和 pthread_cond_wait一样，自动解锁互斥量及等待条件变量，但它还限定了等待时间。如果在abstime指定的时间内cond未触发，互斥量mutex被重新加锁，且pthread_cond_timedwait返回错误 ETIMEDOUT。abstime参数指定一个绝对时间，时间原点与 time和 gettimeofday相同：abstime= 0表示 1970年1月1日00:00:00 GMT。
(4)pthread_cond_destroy销毁一个条件变量，释放它拥有的资源。进入 pthread_cond_destroy之前，必须没有在该条件变量上等待的线程。
(5)条件变量函数不是异步信号安全的，不应当在信号处理程序中进行调用。特别要注意，如果在信号处理程序中调用 pthread_cond_signal或pthread_cond_boardcast函数，可能导致调用线程死锁。
示例程序1
#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include"stdlib.h"
#include"unistd.h"
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;
void hander(void*arg)
{
free(arg);
(void)pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
void*thread1(void*arg)
{
pthread_cleanup_push(hander,&mutex);
while(1)
{
printf("thread1 is running\n");
pthread_mutex_lock(&mutex);
pthread_cond_wait(&cond,&mutex);
printf("thread1 applied the condition\n");
pthread_mutex_unlock(&mutex);
sleep(4);
}
pthread_cleanup_pop(0);
}
void*thread2(void*arg)
{
while(1)
{
printf("thread2 is running\n");
pthread_mutex_lock(&mutex);
pthread_cond_wait(&cond,&mutex);
printf("thread2 applied the condition\n");
pthread_mutex_unlock(&mutex);
sleep(1);
}
}
int main()
{
pthread_t thid1,thid2;
printf("condition variable study!\n");
pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
pthread_cond_init(&cond,NULL);
pthread_create(&thid1,NULL,thread1,NULL);
pthread_create(&thid2,NULL,thread2,NULL);
sleep(1);
do
{
pthread_cond_signal(&cond);
}while(1);
sleep(20);
pthread_exit(0);
return 0;
}
示例程序2：
#include<pthread.h>
#include<unistd.h>
#include"stdio.h"
#include"stdlib.h"
static pthread_mutex_t mtx= PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
static pthread_cond_t cond= PTHREAD_COND_INITIALIZER;
struct node
{
int n_number;
struct node*n_next;
}*head= NULL;
/*[thread_func]*/
static void cleanup_handler(void*arg)
{
printf("Cleanup handler of second thread./n");
free(arg);
(void)pthread_mutex_unlock(&mtx);
}
static void*thread_func(void*arg)
{
struct node*p= NULL;
pthread_cleanup_push(cleanup_handler, p);
while(1)
{
//这个mutex主要是用来保证pthread_cond_wait的并发性
pthread_mutex_lock(&mtx);
while(head== NULL)
{
//这个while要特别说明一下，单个pthread_cond_wait功能很完善，为何
//这里要有一个while(head== NULL)呢？因为pthread_cond_wait里的线
//程可能会被意外唤醒，如果这个时候head!= NULL，则不是我们想要的情况。
//这个时候，应该让线程继续进入pthread_cond_wait
// pthread_cond_wait会先解除之前的pthread_mutex_lock锁定的mtx，
//然后阻塞在等待对列里休眠，直到再次被唤醒（大多数情况下是等待的条件成立
//而被唤醒，唤醒后，该进程会先锁定先pthread_mutex_lock(&mtx);，再读取资源
//用这个流程是比较清楚的/*block-->unlock-->wait() return-->lock*/
pthread_cond_wait(&cond,&mtx);
p= head;
head= head->n_next;
printf("Got%d from front of queue/n", p->n_number);
free(p);
}
pthread_mutex_unlock(&mtx);//临界区数据操作完毕，释放互斥锁
}
pthread_cleanup_pop(0);
return 0;
}
int main(void)
{
pthread_t tid;
int i;
struct node*p;
//子线程会一直等待资源，类似生产者和消费者，但是这里的消费者可以是多个消费者，而
//不仅仅支持普通的单个消费者，这个模型虽然简单，但是很强大
pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
sleep(1);
for(i= 0; i< 10; i++)
{
p=(struct node*)malloc(sizeof(struct node));
p->n_number= i;
pthread_mutex_lock(&mtx);//需要操作head这个临界资源，先加锁，
p->n_next= head;
head= p;
pthread_cond_signal(&cond);
pthread_mutex_unlock(&mtx);//解锁
sleep(1);
}
printf("thread 1 wanna end the line.So cancel thread 2./n");
//关于pthread_cancel，有一点额外的说明，它是从外部终止子线程，子线程会在最近的取消点，退出
//线程，而在我们的代码里，最近的取消点肯定就是pthread_cond_wait()了。
pthread_cancel(tid);
pthread_join(tid, NULL);
printf("All done-- exiting/n");
return 0;
}
3）信号量
如同进程一样，线程也可以通过信号量来实现通信，虽然是轻量级的。
信号量函数的名字都以"sem_"打头。线程使用的基本信号量函数有四个。
#include<semaphore.h>
int sem_init(sem_t*sem, int pshared, unsigned int value);
这是对由sem指定的信号量进行初始化，设置好它的共享选项（linux只支持为0，即表示它是当前进程的局部信号量），然后给它一个初始值VALUE。
两个原子操作函数：
int sem_wait(sem_t*sem);
int sem_post(sem_t*sem);
这两个函数都要用一个由sem_init调用初始化的信号量对象的指针做参数。
sem_post：给信号量的值加1；
sem_wait:给信号量减1；对一个值为0的信号量调用sem_wait,这个函数将会等待直到有其它线程使它不再是0为止。
int sem_destroy(sem_t*sem);
这个函数的作用是再我们用完信号量后都它进行清理。归还自己占有的一切资源。
示例代码：
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
#include<semaphore.h>
#include<errno.h>
#define return_if_fail(p) if((p)== 0){printf("[%s]:func error!/n", __func__);return;}
typedef struct _PrivInfo
{
sem_t s1;
sem_t s2;
time_t end_time;
}PrivInfo;
static void info_init(PrivInfo* thiz);
static void info_destroy(PrivInfo* thiz);
static void* pthread_func_1(PrivInfo* thiz);
static void* pthread_func_2(PrivInfo* thiz);
int main(int argc, char** argv)
{
pthread_t pt_1= 0;
pthread_t pt_2= 0;
int ret= 0;
PrivInfo* thiz= NULL;
thiz=(PrivInfo*)malloc(sizeof(PrivInfo));
if(thiz== NULL)
{
printf("[%s]: Failed to malloc priv./n");
return-1;
}
info_init(thiz);
ret= pthread_create(&pt_1, NULL,(void*)pthread_func_1, thiz);
if(ret!= 0)
{
perror("pthread_1_create:");
}
ret= pthread_create(&pt_2, NULL,(void*)pthread_func_2, thiz);
if(ret!= 0)
{
perror("pthread_2_create:");
}
pthread_join(pt_1, NULL);
pthread_join(pt_2, NULL);
info_destroy(thiz);
return 0;
}
static void info_init(PrivInfo* thiz)
{
return_if_fail(thiz!= NULL);
thiz->end_time= time(NULL)+ 10;
sem_init(&thiz->s1, 0, 1);
sem_init(&thiz->s2, 0, 0);
return;
}
static void info_destroy(PrivInfo* thiz)
{
return_if_fail(thiz!= NULL);
sem_destroy(&thiz->s1);
sem_destroy(&thiz->s2);
free(thiz);
thiz= NULL;
return;
}
static void* pthread_func_1(PrivInfo* thiz)
{
return_if_fail(thiz!= NULL);
while(time(NULL)< thiz->end_time)
{
sem_wait(&thiz->s2);
printf("pthread1: pthread1 get the lock./n");
sem_post(&thiz->s1);
printf("pthread1: pthread1 unlock/n");
sleep(1);
}
return;
}
static void* pthread_func_2(PrivInfo* thiz)
{
return_if_fail(thiz!= NULL);
while(time(NULL)< thiz->end_time)
{
sem_wait(&thiz->s1);
printf("pthread2: pthread2 get the unlock./n");
sem_post(&thiz->s2);
printf("pthread2: pthread2 unlock./n");
sleep(1);
}
return;
}
通过执行结果后，可以看出，会先执行线程二的函数，然后再执行线程一的函数。它们两就实现了同步
