随笔之POSIX cond和Windows同步对象Event的讨论

一 缘由

最近在实现一个线程池的时候，需要用到POSIX中的cond和mutex进行线程间等待和同步，功能类似MS的同步对象Event。

发现cond和mutex的连用还是挺不人性化的。说实话，MS在同步对象的API上，做得还是相当不错，文档也很清晰。

Anyway，既然只能使用POSIX，就只能将就了。

我这个线程池在实现中碰到以下2个问题：

1 有n个线程等待一个事件。当有任务添加的时候，需要触发其中一个线程启动。

2 当线程池退出时，我需要触发所有线程启动，并检测退出标志，从而退出线程循环。

这个问题其实比初看上去要复杂，下面来分析

二 Windows上的实现

先介绍下Event同步对象，

HANDLE CreateEvent(
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpEventAttributes,// pointer to security attributes
BOOL bManualReset, // flag for manual-reset event
BOOL bInitialState, // flag for initial state
LPCTSTR lpName // pointer to event-object name
);
第二个参数：bManualReset表示该对象为人工还是自动变量。我们重点就是讨论这个，该值决定以下几个特点：

• 当Event为人工变量时，一旦被触发，则一直保持触发状态，触发调用ResetEvent重置状态。假设该值被触发，那么调用WaitXXX函数的所有线程都不应该阻塞在该事件上。
• 当Event为自动变量时，一旦被触发，如果有线程在等，那么只会启动其中一个线程（只会启动一个线程，因为该值在启动一个线程后会重置）。如果没有线程在等，那么该值一直保持触发状态

从上面Event的介绍来看，自动变量一次触发一个线程，而人工变量一直保持触发状态。不过系统并没有说如果一个线程很快SetEvent并又ResetEvent的话，Wait的线程会如何。

我们先看看在MS平台上该如何解决上面的问题：

最普遍的方法就是：

1 创建一个Auto的Event，这个Event用来触发工作线程从任务队列中获取任务

2 创建一个Manual的Event，这个Event用来触发所有工作线程退出

然后利用WaitForMultiObject来等待这两个Event。

Problem solved!!

三 Linux的实现

Linux上最大的问题是没有WaitForMultiObject这样的函数，那么我们只能创建一个包含Mutex和Cond的结构体来充当Event

由于cond的触发有两个函数，特性分别是：

• pthread_cond_signal：保证多个线程调用pthread_cond_wait等待的时候只有一个线程能够返回。
• pthread_cond_broadcast：保证多个线程等待的时候，都能返回。

我们在使用cond实现类型的触发和等待的时候，代码经常如下所示：

void Wake(allThreads?)

{

Mutex lock

set condition = 1;

if(allThreads)

pthread_cond_broadcast //触发所有线程

else

pthread_cond_signal //触发单个线程

Mutex unlock

}

void Wait()

{

Mutex lock

while(condition != 1)

{

pthread_cond_wait(cond,&mutex); //cond的wait需要传入一个Mutex做参数，wait函数内部会unlock这个mutex

}

Mutex unlock

}

为什么在Wait的时候需要有一个while循环来检测condition是否满足条件呢？最主要有两个原因：

• cond本身的机制导致。如果cond触发（不论是signal还是broadcast）的时候，没有线程在wait的话，那么线程以后wait将无法捕获这个触发。这和Windows的Event截然不同。自动变量的Event如果触发后，即使当时没有线程在等待，如果以后有线程等待的话，那么也是可以返回的。而posix的cond没有实现这个功能。所以我们只能自己加condition来做判断。如果condition为1，则无需等待。
• pthread_cond_wait的返回有可能是因为信号的原因导致，这个时候conditon并不满足，所以这里也需要一个while循环

根据上面的基础知识，我们目前已满足的是：

• cond_signal能并且只能触发一个线程起来
• cond_broadcast能触发所有线程起来

但是问题随之而来，因为现在只有一个condition，什么时候置为零呢？必须满足两个条件：

• 对于触发单个线程的来说，因为只有一个启动，所以当它启动后，需要把condtion置为零，表示自己已经消费了这个条件。
• 对于所有启动的来说，只有最后一个线程退出等待的时候需要把conditon置为零，表示所有人都消费了这个条件。

解决办法就是使用waiter计数，最终修改后的代码如下：

void Wake(allThreads?)

{

Mutex lock

if(condtion == -1 || condition == 1) //为什么要加这样的判断？

{

Mutex unlock

return;

}

if(allThreads)

{

set condition = -1; //表示等待多个

pthread_cond_broadcast //触发所有线程

}

else

{

set condition = 1;

pthread_cond_signal //触发单个线程

}

Mutex unlock

}

void Wait()

{

Mutex lock

++waiters;

while(condition == 0)

{

pthread_cond_wait(cond,&mutex); //cond的wait需要传入一个Mutex做参数，wait函数内部会unlock这个mutex

}

if(--waiters == 0)

condition = 0;

Mutex unlock

}

我们可以捋一下各种case：

• 只触发单个线程的话，没有问题。这个是最简单的。
• 触发多个线程的话，如果在触发后并且在旧的等待线程未全部返还之前，如果又有新线程调用wait的话，实际上是不会被阻塞的。

Wake函数前面红色字体的代码干什么用？

就怕调用者先调用了Wake(true)，旋即又调用了Wake(false)，导致condtion值混乱。通过判断condition是否已经触发，我们可以避免出问题。

四：结论

POSIX的cond和mutex联合使用，总感觉效率上会有损失。因为cond_wait返还后还是需要竞争mutex，实际上Wait函数在用户空间是串行执行的。

不知道Windows的Event是如何实现的？

上面的代码应该还不是很完善，有问题再修改，不知道您看出什么毛病了吗？