本文通过一个具体案例来说明什么是线程同步。

1. 问题提出

学生线程写作业，老师线程检查作业。要求：只有学生线程写完作业了，老师线程才能检查作业。

在此问题中，有两个线程：学生线程和老师线程，和以往的线程互斥不一样的是，线程互斥之间没有明确的的执行顺序上的要求。而线程同步，有了顺序上的要求，即有先后关系：只有学生线程完成了作业以后，老师线程才能够去运行！

2. 解决思路

在我们没有学习线程同步的方法前，除了采用信号量机制和轮询，好像还没有更好的方法来解决此问题。如果不允许使用信号量的话，用轮询该怎么做？轮询是指：老师线程可以不断的去询问学生作业到底有没有完成作业。

具体做法是采用全局变量 finished 做标记，初始化为 0，表示学生还未完成作业。学生如果完成了作业，会将 finished 变量设置为 1.

另一方面，老师线程不断的检查 finished 变量是否为 1 来判断学生完成了作业。

下面是伪代码：

void student() {
  // doing homework
  sleep(5);
  lock(mutex);
  finished = 1;
  unlock(mutex);
}

void teacher() {
  // 不断检查标记是否为 1
  lock(mutex);
  while(finished == 0) {
    unlock(mutex);
    sleep(1);
    lock(mutex);
  }
  unlock(mutex);
  // 执行到这里说明学生已经完成了作业

很显然，全局变量 finished 属于共享资源，需要使用互斥手段对其进行互斥访问，否则容易出现错误。

说明：在此例中不需要给 finished 变量加互斥锁也不会错，因为老师线程只做了读操作。但是，为了防止产生竞争错误，其次为了后续讨论方便，这里索性加上互斥锁。

3. 程序清单

3.1 代码

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

int finished = 0;
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void* do_homework(void* arg) {
  // doing homework
  sleep(5);
  // finished
  pthread_mutex_lock(&lock);
  finished = 1;
  pthread_mutex_unlock(&lock);
}

void* check_homework(void* arg) {
  // 打电话
  sleep(1);
  // 电话接通
  pthread_mutex_lock(&lock);
  // 作业写完了吗？
  printf("老师：作业写完了吗？!\n");
  while(finished == 0) {
    // 没写完呐！
    printf("学生：没写完呐!\n");
    pthread_mutex_unlock(&lock);
    // 好的，你接着写
    printf("老师：好的，你接着写吧!\n");
    printf("-------------------------\n");
    sleep(1);
    pthread_mutex_lock(&lock);
    printf("老师：作业写完了吗？!\n");
  }
  printf("学生：写完啦!\n");
  pthread_mutex_unlock(&lock);
  printf("老师开始检查---------------\n");
}


int main() {
  pthread_t tid1, tid2;
  pthread_create(&tid1, NULL, do_homework, NULL);
  pthread_create(&tid2, NULL, check_homework, NULL);
  pthread_join(tid1, NULL);
  pthread_join(tid2, NULL);
  return 0;
}

3.2 编译和运行

  • 编译和运行
$ gcc do_homework.c -o do_homework -lpthread
$ ./do_homework
  • 运行结果


85-线程同步_linux


图1 运行结果


3.3 结果分析

从图 1 中可以看到，老师一直问了学生 5 次，其中 4 次询问得到的答复都是没写完……

虽然本程序的结果正确，但是大家也可以看到，老师反复的询问学生，效率低下。如果学生做作业十分的慢，也不知道要做多久，老师就会一直问下去，这无疑是对老师宝贵时间的浪费（也就是浪费 cpu 资源）。

如果有一种方法，可以让学生在完成后作业后唤醒老师线程，不就好了吗？这就是所谓的好莱坞式编程：Do not call me! I will call you (别打我电话，我会通知你的).

在下一节里就会介绍这种技术——条件变量。

4. 总结

  • 理解何为线程同步
  • 知道在没有信号量和条件变量的时候，如何使用互斥来完成线程同步

练习：理解轮询机制是如何工作的，同时完成本文中的实验。