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  • 同步原语

    千次阅读 2012-07-27 15:59:48
    第十一讲 同步原语 * *********************  2007/03/09 asdjf@163.com www.armecos.com    ecos是多线程系统,并发执行造成了一些新问题的产生:多线程协同工作、对临界资源的竞争、线程间通信、线程间...
    第十一讲 同步原语 *
    
    *********************
        2007/03/09  asdjf@163.com  www.armecos.com
        
        ecos是多线程系统,并发执行造成了一些新问题的产生:多线程协同工作、对临界资源的竞争、线程间通信、线程间同步等等。其实,所有的多任务系统都会遇到类似问题,计算机专家们总结了很多抽象模型来应对,方法手段很多,各有特色,每种操作系统可能只实现了某个子集。ecos内核的同步机制提供了许多同步原语,包括:互斥、条件变量、信号量、信箱、事件标志和Spinlock等。
        
        抽象出来的同步原语操作主要包括:创建、删除、等待(阻塞/超时阻塞/非阻塞)、释放、设置、广播、查询数据、查询状态。
        
        虽然操作大同小异,但每种同步原语的含义和适用情况不同,下面详细介绍各种原语的使用方法和注意事项。
        
        ==========
        * 互斥体 *
        ==========
        互斥体用于实现线程对资源的安全共享。适用于线程间或线程与滞后中断服务程序DSR访问同一临界资源时的安全保护。
        考虑下面的例子:
        static volatile int counter = 0;
        void test(void)
        {
            ......
            counter++;
        }
        假设在某个时候counter的值为16,此时有两个同一优先级的线程A和B,它们都调用上面的test函数。线程A读取counter的值,并将其值加1,此时,counter为17。线程B也做同样的操作,counter的值为18。但是如果线程A在读取counter的值为16后,在将其值加1之前调度器调度运行线程B,此时,线程B读取的仍然是counter原来的值16,操作完成后counter变为17。这样,counter的值只增加了1,而不是2,因此最后counter的值只是17,而不是18。这足以说明该应用程序的运行是不可靠的。
        使用互斥体就可以安全地操作counter全局变量:
        static volatile int counter = 0;
        static cyg_mutex_t lock;
        void test(void)
        {
            ......
            cyg_mutex_lock(&lock);
            counter++;
            cyg_mutex_unlock(&lock);
        }
        
        互斥体的使用可能会引起优先级倒置问题的出现。假设有三个不同优先级的线程A、B、C,优先级A>B>C。A和B由于等待事件而处于阻塞状态,C得以运行。线程C在进入临界区时锁定了一个互斥体。当线程A、B被唤醒时,线程A要等待同一个互斥体,但它在线程C离开临界区并释放互斥体之前不得不等待。与此同时,线程B却可以毫无问题地正常运行。由于线程C比线程B优先级低,它在B被阻塞前将没有机会运行。这样线程A就不能运行。其结果就是高优先级的线程A由于优先级比它低的线程B的原因而无法运行,这就发生了优先级倒置。
        
        解决优先级倒置问题普遍使用的技术是:优先级置顶协议(Priority Ceiling Protocol)和优先级继承协议(Priority Inheritance Protocol)。
        优先级置顶意味着占有互斥体的线程在运行时的优先级比任何其他可以获取该互斥体的线程的优先级都要高。ecos组件包通常无法知道系统中各种线程的详细信息,因此无法对组件包内部使用的互斥体设置合适的置顶优先级。设置高了会影响调度操作。
        优先级继承将占有互斥体的线程优先级提升到所有正在等待该互斥体的线程优先级的最高值。当一个线程等待正被另一优先级较低的线程占有的互斥体时,拥有该互斥体的线程优先级被提升到正在等待该互斥体的线程优先级,优先级继承比优先级置顶效率高,不过增加了同步调用开销,而且实现起来比优先级置顶复杂。
        
        初始化          cyg_mutex_init
        删除            cyg_mutex_destroy
        锁定            cyg_mutex_lock
        尝试锁定        cyg_mutex_trylock
        解锁            cyg_mutex_unlock
        释放            cyg_mutex_release
        设置置顶优先级  cyg_mutex_set_ceiling
        设置协议        cyg_mutex_set_protocol
        
        ============
        * 条件变量 *
        ============
        条件变量是允许线程同时给多个线程发信号的一个同步机制。当线程等待一个条件变量时,它在进入等待状态之前将释放互斥体,在被唤醒后又重新拥有互斥体。这种操作是原子操作。
        
        举例说明见例1。
        
        初始化          cyg_cond_init
        删除            cyg_cond_destroy
        等待            cyg_cond_wait
        唤醒            cyg_cond_signal
        广播            cyg_cond_broadcast
        带超时等待      cyg_cond_timed_wait
        
        ==========
        * 信号量 *
        ==========
        信号量是一个允许线程等待直到事件发生的同步原语。每个信号量都有一个整数计数器,如果计数器为0,那么等待该信号量的线程将被阻塞。如果计数器大于0,那么等待的线程将消耗一个事件,即计数器减1。唤醒信号量将对计数器加1。即使事件连续快速发生多次,信号量也不会丢失信息。
        信号量的另一个用途是对资源的管理。计数器的值与当前可用资源的数目相对应。实际上,条件变量更适合于这种操作。
        
        初始化          cyg_semaphore_init
        删除            cyg_semaphore_destroy
        等待            cyg_semaphore_wait
        带超时等待      cyg_semaphore_timed_wait
        非阻塞等待      cyg_semaphore_trywait
        唤醒            cyg_semaphore_post
        获取信息        cyg_semaphore_peek
        
        ========
        * 信箱 *
        ========
        信箱是一个类似于信号量的同步原语,还可以在事件发生时传递一些数据。有些系统称之为消息队列。被称为消息的数据通常是数据结构的指针。信箱只具有有限的容量,缺省配置为10个槽位,有可能溢出。因此,信箱通常不能被DSR用来唤醒线程。
        
        创建            cyg_mbox_create
        删除            cyg_mbox_delete
        获得消息        cyg_mbox_get
        带超时获得消息  cyg_mbox_timed_get
        非阻塞获得消息  cyg_mbox_tryget
        非删除获得消息  cyg_mbox_peek_item
        发送消息        cyg_mbox_put
        带超时发送消息  cyg_mbox_timed_put
        非阻塞发送消息  cyg_mbox_tryput
        读取消息数      cyg_mbox_peek
        判断是否有消息  cyg_mbox_waiting_to_get
        发新消息前判断  cyg_mbox_waiting_to_put
        
        ============
        * 事件标志 *
        ============
        事件标志允许线程等待一个或几个不同类型的事件发生。还可以用于等待某些事件组合的发生。事件标志不存在溢出问题。
        事件标志可以指定函数调用者阻塞(1)直到所有指定事件发生为止;(2)直到至少一个指定事件发生为止;(3)直到所有指定事件发生为止并清除事件标志;(2)直到至少一个指定事件发生为止并清除事件标志。
        
        初始化              cyg_flag_init
        删除                cyg_flag_destroy
        设置标志位          cyg_flag_setbits
        清除标志位          cyg_flag_maskbits
        等待事件发生        cyg_flag_wait
        超时等待事件        cyg_flag_timed_wait
        探查事件是否发生    cyg_flag_poll
        返回事件标志当前值  cyg_flag_peek
        报告是否有线程等待  cyg_flag_waiting
        
        ============
        * Spinlock *
        ============
        Spinlock是为SMP系统中的应用线程提供的一个同步原语。Spinlock运行级别要低于其他同步原语(如互斥体)。特别在对中断进行处理以及线程需要共享硬件资源的情况下需要使用Spinlock。在SMP系统中,内核自身的实现也需要使用Spinlock。
        必须强调的是,对Spinlock的拥有时间必须很短,一般为几十条指令。在单处理器系统中,不应该使用Spinlock。
        
        初始化          cyg_spinlock_init
        删除            cyg_spinlock_destroy
        声称            cyg_spinlock_spin
        释放            cyg_spinlock_clear
        非阻塞声称      cyg_spinlock_try
        检查是否有等待  cyg_spinlock_test
        安全声称        cyg_spinlock_spin_intsave
        安全释放        cyg_spinlock_clear_intsave
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  • ecos系统同步原语

    2018-06-06 10:14:38
    ecos系统同步原语, 包含互斥,信号量, 信箱, 事件, Spinlock ,条件变量。
  • 它还公开了用于创建您自己的有效同步原语的低级API。 在x86_64 Linux上进行测试时,发现parking_lot::Mutex速度比std::sync::Mutex速度快1.5倍,而在多线程竞争时,速度最高可快5倍。 RwLock的数字取决于读取器和...
  • C++11 线程同步原语

    2021-07-25 10:08:28
    本文主要讲述Linux下线程同步原语,以及使用场景。

    本文主要讲述C++11线程同步原语,以及使用场景。

    C++11 线程同步原语有三个:mutex(互斥锁),condition variable(条件变量)和semaphore(信号量)。


    一 mutex

    mutex是最简单的同步原语,用来防止多个线程并发的访问临界区资源。如果应用中有些资源在同一时间最多只能被一个线程访问,那么就使用mutex来保护这些资源。

    使用方法也非常简单,总共3步,

    1. 加锁
    2. 执行临界区代码
    3. 释放锁

    下面是简单的范例代码,一般配合std::lock_guard或者std::unique_lock来使用

    #include <iostream>
    #include <map>
    #include <string>
    #include <chrono>
    #include <thread>
    #include <mutex>
     
    std::map<std::string, std::string> g_pages;
    std::mutex g_pages_mutex;
     
    void save_page(const std::string &url)
    {
        // simulate a long page fetch
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
        std::string result = "fake content";
     
        std::lock_guard<std::mutex> guard(g_pages_mutex);
        g_pages[url] = result;
    }
     
    int main() 
    {
        std::thread t1(save_page, "http://foo");
        std::thread t2(save_page, "http://bar");
        t1.join();
        t2.join();
     
        // safe to access g_pages without lock now, as the threads are joined
        for (const auto &pair : g_pages) {
            std::cout << pair.first << " => " << pair.second << '\n';
        }
        return 0;
    }
    
    

    加锁由guard的构造函数来完成,释放锁由guard的析构函数来完成,只要出了guard的作用域就会自动释放。

    PS: std::mutex提供的互斥锁是non-recursive的


    二 condition variable

    条件变量用于实现多个线程间的notification/synchronization机制,使用场景如下,

    Condition variable allows a thread T to wait for completion of a given event on a particular object (some shared state, data structure, anything). The event over here is really the change in state of some condition that thread is interested in. Until that is satisfied, the thread waits to be awakened later by a signalling thread (that actually changes the condition).

    这个notification/synchronization机制是mutex无法做到的。

    条件变量的使用需要3个元素,

    1. 条件变量 (同步原语)
    2. 互斥锁
    3. 条件 (一个共享变量或其它)

    下面是个简单范例,代码中cv是条件变量,m是互斥锁,ready和processed是条件

    #include <iostream>
    #include <string>
    #include <thread>
    #include <mutex>
    #include <condition_variable>
     
    std::mutex m;
    std::condition_variable cv;
    std::string data;
    bool ready = false;
    bool processed = false;
     
    void worker_thread()
    {
        // Wait until main() sends data
        std::unique_lock<std::mutex> lk(m);
        cv.wait(lk, []{return ready;});
     
        // after the wait, we own the lock.
        std::cout << "Worker thread is processing data\n";
        data += " after processing";
     
        // Send data back to main()
        processed = true;
        std::cout << "Worker thread signals data processing completed\n";
     
        // Manual unlocking is done before notifying, to avoid waking up
        // the waiting thread only to block again (see notify_one for details)
        lk.unlock();
        cv.notify_one();
    }
     
    int main()
    {
        std::thread worker(worker_thread);
     
        data = "Example data";
        // send data to the worker thread
        {
            std::lock_guard<std::mutex> lk(m);
            ready = true;
            std::cout << "main() signals data ready for processing\n";
        }
        cv.notify_one();
     	
        // wait for the worker
        {
            std::unique_lock<std::mutex> lk(m);
            cv.wait(lk, []{return processed;});
        }
        std::cout << "Back in main(), data = " << data << '\n';
     
        worker.join();
        return 0;
    }
    

    运行逻辑如下,

    1. worker_thread调用cv.wait()时,条件ready是false,就会释放互斥锁,然后在那里等待通知
    2. 主线程先去拿锁,然后把条件ready修改为true,接着释放锁,最后通知worker_thread
    3. worker_thread接到通知后发现条件为真,又会获取锁,接着处理data,并把条件processed置位true
    4. 同理可以分析条件processed

    三 semaphore

    信号量提供了以下2个特性:

    1. 允许N个线程并发访问临界区,N与应用相关
    2. 提供了类似条件变量的notification/synchronization机制

    本人没有使用过信号量…

    展开全文
  • ACE框架 同步原语设计

    2017-04-14 20:43:00
    同步原语使用系统平台(操作系统,多线程库)提供的同步原语,并为系统平台不提供的同步原语提供模拟实现。ACE框架使用了外观模式和适配器分两层,将同步原语统一接口。 在外观包装层,ACE框架为每种同步原语将系统...

    ACE框架常用的同步机制设计成统一的原语接口。同步原语使用系统平台(操作系统,多线程库)提供的同步原语,并为系统平台不提供的同步原语提供模拟实现。ACE框架使用了外观模式和适配器分两层,将同步原语统一接口。

    在外观包装层,ACE框架为每种同步原语将系统平台不同的同步原语函数统一成一致的函数接口集,并提供系统平台不支持的同步原语的模拟的实现。这一层位于ACE_OS命名空间层。

    ACE框架定义了7种系统平台需要提供的同步原语,包括有条件变量,事件,互斥体(锁),线程锁,可递归锁,读写锁以及信号量。

    并没有一个系统平台支持所有的同步原语,并且不同系统平台的原语函数各不相同。在这层ACE框架为这些同步原语函数定义了统一的外观。

    Windows平台支持事件,互斥体(锁)Mutext,线程锁 CriticalSection,可递归锁CriticalSection,信号量Semaphore,但不支持条件变量,读写锁。

    Solaris平台支持互斥体(锁)mutex_t,信号量sema_t,条件变量cond_t,读写锁rwlock_t,但并不支持事件,可递归锁。

    Linux平台,操作系统只提供信号量sem_t同步原语的系统调用,其它同步原语必须依赖线程库Pthread。

    线程库Pthread,实现了互斥体(锁)pthread_mutex_t,条件变量pthread_cond_t,读写锁pthread_rwlock_t,并提供一个信号量的模拟实现,但不支持事件,可递归锁。

    ACE为不支持的同步原语提供了实现模拟,分别有事件ACE_event_t,条件变更ACE_cond_t,事件ACE_event_t,以及信号量ACE_sema_t。

    Windows平台的同步原语外观实现:(红色为ACE定义的同步对象外观,黄色为实现)

    Linux平台的外观实现:

     

    虽然为7种同步原语各自统一了函数外观,但使用起来还很繁杂,不同的同步原语之间的函数不兼容,并且不利于开发中同步原语的替换。在适配层,ACE使用相同的接口包装了每种同步原语的使用,并且使同步原语轻易地使用在模板泛型开发。

     

    ACE_Barrier是更高一层的同步原语。

    转载于:https://www.cnblogs.com/bbqzsl/p/6710799.html

    展开全文
  • 更高级的同步原语。 实现了一些 Go 同步原语。 令牌 提供令牌实现。 只有拥有Token才能做事,然后才能将令牌移交给其他人。 批 提供批量实现。 类似于errgroup ,可以返回每个任务的所有错误结果。 任何 提供部分...
  • 2017/3/12 18.5.7 同步原语 Python 3.6.1rc1文档 18.5.7同步原语 锁 Lock Event Condition 信号量 Semaphore BoundedSemaphore ASYNCIO锁定API被设计成接近类threading 模块 Lock Event Condition Semaphore ...
  • 使用AmpPHP应用程序和库的同步原语。 安装 该软件包可以作为依赖项安装。 composer require amphp/sync 文献资料 可以在以及目录中找到文档。 版本控制 像所有其他amphp软件包一样, amphp/sync遵循语义版本控制...
  • 异步同步原语。 此板条箱提供以下原语: Barrier -使任务可以同时同步所有任务。 Mutex -互斥锁。 RwLock读写器锁,允许任意数量的读取器或单个写入器。 Semaphore -限制并发操作的数量。 执照 根据以下任一...
  • asyncio同步原语与线程(threading)模块同步原语基本类似,但有两点重要区别: asyncio同步原语非线程安全,因此不应被用作系统线程同步(可以使用threading代替); asyncio同步原语不允许使用timeout参数;可以...

    asyncio同步原语与线程(threading)模块同步原语基本类似,但有两点重要区别:

    • asyncio同步原语非线程安全,因此不应被用作系统线程同步(可以使用threading代替);
    • asyncio同步原语不允许使用timeout参数;可以使用asyncio.wait_for()方法执行有超时设置的操作。

    asyncio有以下5个基本的同步原语:

    • Lock
    • Event
    • Condition
    • Semaphore
    • BoundedSemaphore

    Lock

    • class asyncio.**Lock(*,loop=None)**
      • 为asyncio任务提供一个互斥锁。非线程安全。
      • asyncio锁可以用来保证对共享资源的独占访问。
      • asyncio锁的首选用法是同async with语句一起使用:

        lock = asyncio.Lock()
        # ... later
        async with lock:
           # 访问共享资源

        此代码段和以下代码是等价的:

        lock = asyncio.Lock()
        
        # ... later
        await lock.acquire()
        try:
            # 访问共享资源
        finally:
            lock.release()
      • coroutine acquire()
        • 获取asyncio同步锁。
        • 该方法等待的状态变为unlocked,之后设置其为locked,并返回True
      • release()
        • 释放asyncio同步锁。
        • 如果的状态是locked,则将其重置为unlocked并返回。
        • 如果的状态是unlocked,会引发RuntimeError异常。
      • locked()
        • 如果的状态是locked,则返回True

    Event

    • class asyncio.**Event(*,loop=None)**
      • 事件对象,非线程安全。
      • 用于向asyncio任务通知某些事件已发生。
      • 事件对象用于管理内部标志。此标志可以通过set()方法设置为True,或通过clear()方法复位为Falsewait()方法在该标志设置为True前一直保持阻塞。初始状态下,该标志为False
      • 例如:

        async def waiter(event):
             print('waiting for it ...')
             await event.wait()
             print('... got it!')
        
        async def main():
             # Create an Event object.
             event = asyncio.Event()
        
             # Spawn a Task to wait until 'event' is set.
             waiter_task = asyncio.create_task(waiter(event))
        
             # Sleep for 1 second and set the event.
             await asyncio.sleep(1)
             event.set()
        
             # Wait until the waiter task is finished.
             await waiter_task
        
        asyncio.run(main())
      • coroutine wait()
        • 等待事件内部标志被设置为True
        • 如果事件的内部内部标志已设置,则立即返回True。否则,一直阻塞,直到另外的任务调用set()
      • set()
        • 设置事件内部标志True
        • 所有等待事件的任务将会立即被触发。
      • clear()
        • 清除事件内部标志(即设置为False)。
        • 等待事件的任务将会阻塞,直到set()方法被再次调用。
      • is_set()
        • 如果事件内部标志被设置为True,则返回True

    Condition

    • class asyncio.**Condition(lock=None,*,loop=None)**
      • 条件对象,非线程安全。
      • 异步条件原语用于在某些事件发生后,获得共享资源的独占访问权限。
      • 本质上,条件对象结合了事件和锁的功能。可以让多个Condition对象共享一个Lock,这允许在对共享资源的特定状态感兴趣的不同任务之间协调对共享资源的独占访问。
      • 可选参数lock必须为Lock对象或None。如果为None,会自动创建一个Lock对象。
      • 使用条件对象的首选方法是async with方式:

        cond = asyncio.Condition()
        
        # ... later
        async with cond:
            await cond.wait()

        等价于:

        cond = asyncio.Condition()
        
        # ... later
        await lock.acquire()
        try:
            await cond.wait()
        finally:
            lock.release()
      • coroutine acquire()
        • 获取底层锁。
        • 该方法一直等待,直到底层锁处于未锁定状态,然后设置其为锁定状态,并且返回True
      • notify(n=1)
        • 唤醒至多n个等待条件的任务。如果没有正在等待的任务,则该方法无操作。
        • 在调用该方法之前,必须先调用acquire()获取锁,并在调用该方法之后释放锁。如果在锁为锁定的情况下调用此方法,会引发RuntimeError异常。
      • locked()
        • 如果底层锁已获取,则返回True
      • notify_all()
        • 唤醒所有正在等待该条件的任务。
        • 该方法与notify()类似,区别只在它会唤醒所有正在等待的任务。
        • 在调用该方法前,必须首先获取底层锁,并在执行完该方法后释放锁。如果在底层锁未锁定的情况下执行该方法,会引发RuntimeError异常。
      • release()
        • 释放底层锁。
        • 在未锁定的锁上调用时,会引发RuntimeError异常。
      • coroutine wait()
        • 等待通知。
        • 如果调用此方法的任务没有获取到锁,则引发RuntimeError异常。
        • 此方法释放底层锁,然后保持阻塞,直至被notify()notify_all()唤醒。被唤醒之后,条件对象重新申请锁,该方法返回True
      • coroutine wait_for(predicate)
        • 等待predicate变为True
        • predicate必须可调用,它的执行结果会被解释为布尔值,并作为最终结果返回。

    Semaphore

    • class asyncio.**Semaphore(value=1,*,loop=None)**
      • 信号量(Semaphore)对象。非线程安全。
      • 信号量用于管理一个内部计数器,此计数器逢acquire()递减,逢release()递增。计数器的值不能小于0,如果acquire()被调用时计数器为0,则阻塞,直到某一任务调用release()
      • value为可选参数,用于设定内部计数器的初始值。如果给定的值小于0,则引发ValueError异常。
      • 使用信号量的最佳方法是async with声明:

        sem = asyncio.Semaphore(10)
        
        # ... later
        async with sem:
            # work with shared resource

        等价于:

        sem = asyncio.Semaphore(10)
        
        # ... later
        await sem.acquire()
        try:
            # work with shared resource
        finally:
            sem.release()
    • coroutine acquire()
      • 申请一个信号量
      • 如果内部计数器的值大于0,则减1并立即返回True。如果内部计数器的值为0,则等待release()被调用,然后返回True
    • locked()
      • 如果信号量不能被立即申请,则返回True
    • release()
      • 释放信号量,内部计数器加1。
      • BoundedSemaphore不同,Semaphore允许release()的调用次数大于acquire()的调用次数。

    BoundedSemaphore

    • class asyncio.**BoundedSemaphore(value=1,*,loop=None)**
      • 有界信号量,非线程安全。
      • 有界信号量是一种特殊的信号量——如果release()后内部计数器的值大于初始值,则引发ValueError异常。

    从python3.7开始:通过await lockyield from lock或通过声明with await lockwith(yield from lock)获取锁的用法被废弃。可使用async with lock代替。

    转载于:https://www.cnblogs.com/mamingqian/p/10075444.html

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