Android同步类：Mutex和Condition

Android提供了两个封装好的同步类，它们是Mutex和Condition。这是重量级的同步技术，一般内核都会有对应的支持。另外，OS还提供了简单的原子操作，这些也算是同步技术中的一种。下面分别来介绍这三种东西。
1. 互斥类—Mutex
Mutex是互斥类，用于多线程访问同一个资源的时候，保证一次只有一个线程能访问该资源。在《Windows核心编程》①一书中，对于这种互斥访问有一个很形象的比喻：想象你在飞机上如厕，这时卫生间的信息牌上显示“有人”，你必须等里面的人出来后才可进去。这就是互斥的含义。
下面来看Mutex的实现方式，它们都很简单。
（1）Mutex介绍
其代码如下所示：
[-->Thread.h::Mutex的声明和实现]
inline Mutex::Mutex(int type, const char* name) {
if (type == SHARED) {
//type如果是SHARED，则表明这个Mutex支持跨进程的线程同步。
//以后我们在Audio系统和Surface系统中会经常见到这种用法。
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_setpshared(&attr, PTHREAD_PROCESS_SHARED);
pthread_mutex_init(&mMutex, &attr);
pthread_mutexattr_destroy(&attr);
} else {
pthread_mutex_init(&mMutex, NULL);
}
}
inline Mutex::~Mutex() {
pthread_mutex_destroy(&mMutex);
}
inline status_t Mutex::lock() {
return -pthread_mutex_lock(&mMutex);
}
inline void Mutex::unlock() {
pthread_mutex_unlock(&mMutex);
}
inline status_t Mutex::tryLock() {
return -pthread_mutex_trylock(&mMutex);
}
关于Mutex的使用，除了初始化外，最重要的是lock和unlock函数的使用，它们的用法如下：
要想独占卫生间，必须先调用Mutex的lock函数。这样，这个区域就被锁住了。如果这块区域之前已被别人锁住，lock函数则会等待，直到可以进入这块区域为止。系统保证一次只有一个线程能lock成功。
当你“方便”完毕，记得调用Mutex的unlock以释放互斥区域。这样，其他人的lock才可以成功返回。
另外，Mutex还提供了一个trylock函数，该函数只是尝试去锁住该区域，使用者需要根据trylock的返回值来判断是否成功锁住了该区域。
注意　以上这些内容都和Raw API有关，不了解它的读者可自行学习相关知识。在Android系统中，多线程也是常见和重要的编程手段，务必请大家重视。
Mutex类确实比Raw API方便好用，不过还是稍显麻烦。
（2）AutoLock介绍
AutoLock类是定义在Mutex内部的一个类，它其实是一帮“懒人”搞出来的，为什么这么说呢？先来看看使用Mutex有多麻烦：
显示调用Mutex的lock。
在某个时候记住要调用该Mutex的unlock。
以上这些操作都必须一一对应，否则会出现“死锁”！在有些代码中，如果判断分支特别多，你会发现unlock这句代码被写得比比皆是，如果稍有不慎，在某处就会忘了写它。有什么好办法能解决这个问题吗？终于有人想出来一个好办法，就是充分利用了C++的构造和析构函数，只需看一看AutoLock的定义就会明白。代码如下所示：
[-->Thread.h Mutex::Autolock声明和实现]
class Autolock {
public:
//构造的时候调用lock。
inline Autolock(Mutex& mutex) : mLock(mutex) { mLock.lock(); }
inline Autolock(Mutex* mutex) : mLock(*mutex) { mLock.lock(); }
//析构的时候调用unlock。
inline ~Autolock() { mLock.unlock(); }
private:
Mutex& mLock;
};
AutoLock的用法很简单：
先定义一个Mutex，如 Mutex xlock。
在使用xlock的地方，定义一个AutoLock，如 AutoLock autoLock（xlock）。
由于C++对象的构造和析构函数都是自动被调用的，所以在AutoLock的生命周期内，xlock的lock和unlock也就自动被调用了，这样就省去了重复书写unlock的麻烦，而且lock和unlock的调用肯定是一一对应的，这样就绝对不会出错。
2. 条件类—Condition
多线程同步中的条件类对应的是下面这种使用场景：
线程A做初始化工作，而其他线程比如线程B、C必须等到初始化工作完后才能工作，即线程B、C在等待一个条件，我们称B、C为等待者。
当线程A完成初始化工作时，会触发这个条件，那么等待者B、C就会被唤醒。触发这个条件的A就是触发者。
上面的使用场景非常形象，而且条件类提供的函数也非常形象，它的代码如下所示：
[-->Thread.h:: Condition的声明和实现]
class Condition {
public:
enum {
PRIVATE = 0,
SHARED = 1
};

Condition();
Condition(int type);//如果type是SHARED，表示支持跨进程的条件同步
~Condition();
//线程B和C等待事件，wait这个名字是不是很形象呢？
status_t wait(Mutex& mutex);
//线程B和C的超时等待，B和C可以指定等待时间，当超过这个时间，条件却还不满足，则退出等待。
status_t waitRelative(Mutex& mutex, nsecs_t reltime);
//触发者A用来通知条件已经满足，但是B和C只有一个会被唤醒。
void signal();
//触发者A用来通知条件已经满足，所有等待者都会被唤醒。
void broadcast();

private:
#if defined(HAVE_PTHREADS)
pthread_cond_t mCond;
#else
void* mState;
#endif
}
声明很简单，定义也很简单，代码如下所示：
inline Condition::Condition() {
pthread_cond_init(&mCond, NULL);
}
inline Condition::Condition(int type) {
if (type == SHARED) {//设置跨进程的同步支持。
pthread_condattr_t attr;
pthread_condattr_init(&attr);
pthread_condattr_setpshared(&attr, PTHREAD_PROCESS_SHARED);
pthread_cond_init(&mCond, &attr);
pthread_condattr_destroy(&attr);
} else {
pthread_cond_init(&mCond, NULL);
}
}
inline Condition::~Condition() {
pthread_cond_destroy(&mCond);
}
inline status_t Condition::wait(Mutex& mutex) {
return -pthread_cond_wait(&mCond, &mutex.mMutex);
}
inline status_t Condition::waitRelative(Mutex& mutex, nsecs_t reltime) {
#if defined(HAVE_PTHREAD_COND_TIMEDWAIT_RELATIVE)
struct timespec ts;
ts.tv_sec = reltime/1000000000;
ts.tv_nsec = reltime%1000000000;
return -pthread_cond_timedwait_relative_np(&mCond, &mutex.mMutex, &ts);
...... //有些系统没有实现POSIX的相关函数，所以不同的系统需要调用不同的函数。
#endif
}
inline void Condition::signal() {
pthread_cond_signal(&mCond);
}
inline void Condition::broadcast() {
pthread_cond_broadcast(&mCond);
}
可以看出，Condition的实现全是凭借调用了Raw API的pthread_cond_xxx函数。这里要重点说明的是，Condition类必须配合Mutex来使用。什么意思？
在上面的代码中，不论是wait、waitRelative、signal还是broadcast的调用，都放在一个Mutex的lock和unlock范围中，尤其是wait和waitRelative函数的调用，这是强制性的。
来看一个实际的例子，加深一下对Condition类和Mutex类的印象。这个例子是Thread类的requestExitAndWait，目的是等待工作线程退出，代码如下所示：
[-->Thread.cpp]
status_t Thread::requestExitAndWait()
{
......
requestExit(); //设置退出变量mExitPending为true。
Mutex::Autolock _l(mLock);//使用Autolock，mLock被锁住。
while (mRunning == true) {
/*
条件变量的等待，这里为什么要通过while循环来反复检测mRunning？
因为某些时候即使条件类没有被触发，wait也会返回。关于这个问题，强烈建议读者阅读
前面推荐的《Programming with POSIX Thread》一书。
*/
mThreadExitedCondition.wait(mLock);
}

mExitPending = false;
//退出前，局部变量Mutex::Autolock _l的析构会被调用，unlock也就会被自动调用。
return mStatus;
}
那么，什么时候会触发这个条件呢？是在工作线程退出前。其代码如下所示：
[-->Thread.cpp]
int Thread::_threadLoop(void* user)
{
Thread* const self = static_cast(user);
sp strong(self->mHoldSelf);
wp weak(strong);
self->mHoldSelf.clear();

do {
......
result = self->threadLoop();//调用子类的threadLoop函数。
......
//如果mExitPending为true，则退出。
if (result == false || self->mExitPending) {
self->mExitPending = true;
//退出前触发条件变量，唤醒等待者。
self->mLock.lock();//lock锁住。
//mRunning的修改位于锁的保护中。如果你阅读了前面推荐的书，这里也就不难理解了。
self->mRunning = false;
self->mThreadExitedCondition.broadcast();
self->mLock.unlock();//释放锁。
break;//退出循环，此后该线程函数会退出。
}
......
} while(strong != 0);

return 0;
}
关于Android多线程的同步类，暂时介绍到此吧。当然，这些类背后所隐含的知识及技术是读者需要倍加重视的。
提示　希望我们能养成一种由点及面的学习方法。以我们的同步类为例，假设你是第一次接触多线程编程，也学会了如何使用Mutex和Condition这两个类，不妨以这两个类代码中所传递的知识作为切入点，把和多线程相关的所有知识（这个知识不仅仅是函数的使用，还包括多线程的原理，多线程的编程模型，甚至是现在很热门的并行多核编程）普遍了解一下。只有深刻理解并掌握了原理等基础和框架性的知识后，才能以不变应万变，才能做到游刃有余。

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