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【中间件】bthread_数据结构_学习笔记

news 来源：原创 2025/5/10 15:27:12

bthread数据结构

bthread_数据结构_学习笔记
- 1 pthread_cond_t
- - 1.1 definition
  - 1.2 解释
  - 1.3 设计动机
  - 1.4 使用示例
  - 1.5 注意事项
  - 1.6 进一步延伸：pthread_cond_s
- 2 pthread_mutex_t

bthread_数据结构_学习笔记

1 pthread_cond_t

POSIX线程库 /usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/pthreadtypes.h
底层通过union实现，系统编程中“隐藏实现细节，暴露稳定接口”的经典范例。

主要目的是为了兼容不同平台的底层实现差异，同时确保类型的内存布局和对齐方式符合规范。

类型抽象：隐藏平台差异，提供统一接口。
内存安全：固定大小和强制对齐避免常见错误。
灵活初始化：支持静态和动态初始化方式。

1.1 definition

typedef union {struct __pthread_cond_s __data;   // 实际存储条件变量数据的结构体char __size[__SIZEOF_PTHREAD_COND_T]; // 保证联合体大小与平台实现一致__extension__ long long int __align;  // 强制对齐（通常是 8 字节对齐）
} pthread_cond_t;

1.2 解释

struct __pthread_cond_s __data
- 包含条件变量的实际数据（如等待队列、计数器等），具体字段由底层实现定义。
- 开发者通常不直接操作此结构体，而是通过 pthread_cond_* 系列函数（如 pthread_cond_init, pthread_cond_wait）间接使用。
char __size[__SIZEOF_PTHREAD_COND_T]
- 用于确保联合体的总大小与平台实现的 pthread_cond_t 一致。
- __SIZEOF_PTHREAD_COND_T 是一个宏，表示目标平台上 pthread_cond_t 的字节数，由编译器或系统头文件提供。
long long int __align
- 强制联合体按 long long（通常 8 字节）对齐，避免内存对齐问题。
- __extension__ 是 GCC 扩展语法，用于忽略编译器的严格标准检查。

1.3 设计动机

跨平台兼容性
- 不同操作系统或硬件架构对 pthread_cond_t 的实现可能不同（如字段顺序、对齐要求）。
- 通过联合体将实现细节隐藏在 __data 结构体中，用户只需使用 pthread_cond_t 类型，无需关心底层差异。
固定内存布局
- __size 数组确保联合体的大小严格等于 __SIZEOF_PTHREAD_COND_T，避免用户误分配不足内存。
- 例如，静态初始化条件变量时，用户可以直接用 PTHREAD_COND_INITIALIZER 宏，而无需知道具体结构。
对齐控制
- __align 成员确保联合体按最大对齐要求（如 8 字节）分配内存，防止因对齐不当导致的性能问题或硬件异常。

1.4 使用示例

// 静态初始化（依赖联合体的大小和对齐）
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;// 动态初始化
pthread_cond_t cond;
pthread_cond_init(&cond, NULL);// 使用条件变量
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);

1.5 注意事项

不要直接操作 __data 成员
条件变量的内部结构是平台相关的，直接访问可能导致不可移植或未定义行为。
依赖标准函数
始终使用 pthread_cond_* 函数操作条件变量，而非手动修改联合体成员。
内存对齐
联合体的对齐机制确保了跨平台安全性，但用户仍需避免将 pthread_cond_t 放置在不对齐的内存地址。

1.6 进一步延伸：pthread_cond_s

Linux 系统中 POSIX 条件变量 pthread_cond_t 的底层实现。是 Linux 高效线程同步的核心，通过原子计数器、分组策略和引用机制，平衡了性能与正确性。理解其字段有助于：

调试复杂的线程竞争问题。
编写高性能的多线程代码（如避免不必要的广播）。
深入操作系统级并发原语的实现原理。

它的字段设计用于高效管理线程的等待与唤醒机制，同时确保线程安全和性能。

definition

struct __pthread_cond_s {__atomic_wide_counter __wseq;     // 全局等待序列号（原子计数器）__atomic_wide_counter __g1_start; // 第一组（Group 1）的起始序列号（原子计数器）unsigned int __g_refs[2];  __LOCK_ALIGNMENT       // 组的引用计数（每个组对应一个槽）unsigned int __g_size[2];         // 组的大小（跟踪每个组的等待线程数）unsigned int __g1_orig_size;      // Group 1 的原始大小（用于广播操作）unsigned int __wrefs;             // 等待者的引用计数（防止销毁时竞争）unsigned int __g_signals[2];      // 组的待处理信号数（唤醒信号计数）
} __LOCK_ALIGNMENT;                   // 结构体对齐（通常与锁对齐一致）

字段详细说明

__atomic_wide_counter __wseq
- 作用：全局等待序列号，原子计数器。
- 细节：
  - 每个线程在调用 pthread_cond_wait 进入等待前会递增此值，表示一次新的等待事件。
  - 用于唯一标识等待操作的顺序，避免唤醒操作（如 pthread_cond_signal 或 pthread_cond_broadcast）遗漏或重复。
__atomic_wide_counter __g1_start
- 作用：第一组（Group 1）的起始等待序列号。
- 细节：
  - 条件变量将等待线程划分为两个组（Group 1 和 Group 2），以减少竞争。
  - __g1_start 记录 Group 1 的起始序列号，当 Group 1 的线程全部被唤醒后，Group 2 会晋升为新的 Group 1。
unsigned int __g_refs[2]
- 作用：每个组的引用计数，用于跟踪活跃的等待线程数。
- 细节：
  - 索引 0 对应 Group 1，索引 1 对应 Group 2。
  - 线程进入等待时会增加对应组的引用计数，唤醒后减少。
  - 防止在唤醒操作过程中组被错误回收。
unsigned int __g_size[2]
- 作用：每个组的当前等待线程数。
- 细节：
  - 与 __g_refs 配合使用，确保唤醒操作（如 pthread_cond_broadcast）能正确统计需要唤醒的线程数量。
  - 例如，pthread_cond_broadcast 会唤醒某个组的所有线程，__g_size 用于确定唤醒的数量。
unsigned int __g1_orig_size
- 作用：Group 1 的原始大小，用于广播操作。
- 细节：
  - 在调用 pthread_cond_broadcast 时，会记录 Group 1 的初始大小，确保所有在广播前进入等待的线程都被唤醒。
  - 避免广播过程中新加入的线程被错误唤醒。
unsigned int __wrefs
- 作用：等待者的引用计数。
- 细节：
  - 跟踪当前正在等待的线程总数（包括所有组）。
  - 在销毁条件变量（pthread_cond_destroy）时，需确保 __wrefs 为 0，防止有线程仍在等待时销毁资源。
unsigned int __g_signals[2]
- 作用：每个组的待处理唤醒信号数。
- 细节：
  - 当调用 pthread_cond_signal 或 pthread_cond_broadcast 时，信号会被记录到对应组的 __g_signals 中。
  - 等待线程被唤醒前会检查此值，确保每个信号只唤醒一个线程（避免“惊群效应”）。
__LOCK_ALIGNMENT
- 作用：结构体对齐标记。
- 细节：
  - 通常与系统锁（如 pthread_mutex_t）的对齐方式一致，确保条件变量和互斥锁在内存中正确对齐，避免性能下降或硬件异常。
  - 处理器访问内存时，若数据的地址是某个值的整数倍（如4字节对齐的地址为4的倍数），则访问效率更高。
  - 未对齐的访问可能导致：
    - 性能下降：处理器可能需要多次内存操作来读取或写入未对齐的数据。
    - 硬件异常：在某些架构（如ARM或SPARC）上，未对齐访问会直接触发错误。
    - 原子操作失败：同步原语（如锁）依赖原子指令，未对齐的结构体可能导致指令无法正确执行。
- 平台兼容性
  - 不同硬件架构（如x86、ARM、RISC-V）的对齐要求可能不同。例如：
    - x86 允许未对齐访问（但性能较低）。
    - ARMv7 要求严格对齐，否则触发总线错误。
- __LOCK_ALIGNMENT 通过宏定义适配目标平台的对齐要求，例如：#define __LOCK_ALIGNMENT __attribute__((aligned(8))) // 8字节对齐确保结构体在所有平台上均按硬件要求对齐。
- 优化内存访问
  - 对齐后的结构体字段排列更紧凑，减少填充（Padding）字节，节省内存。
  - 对齐的字段可被处理器单次内存操作访问，提升指令执行效率。
- 支持原子操作
  - 条件变量的实现依赖原子计数器（如 __atomic_wide_counter）。
  - 原子操作指令（如CAS, LL/SC）通常要求操作数对齐。未对齐的原子操作可能失败或不可用。
- __LOCK_ALIGNMENT 确保原子字段（如 __wseq、__g1_start）按原子指令的要求对齐。
- 作用归纳：
  - 兼容性：适配不同硬件平台的对齐要求。
  - 性能优化：减少伪共享、提升内存访问效率。
  - 正确性：确保原子操作和同步机制可靠工作。
  - 协作安全：与互斥锁对齐一致，避免协同使用时的潜在问题。
- 系统级编程中“显式控制内存布局”的典范，确保了多线程同步原语的高效与稳定.

组（Group）机制
条件变量通过 分组策略 优化唤醒操作：

Group 1 和 Group 2：
- Group 1 是当前活跃的等待组，新线程在等待时加入 Group 1。
- 当 Group 1 的线程被全部唤醒后，Group 2 晋升为新的 Group 1，避免操作同一组时的竞争。
广播（Broadcast）优化：
- pthread_cond_broadcast 会唤醒 Group 1 的所有线程，同时记录 __g1_orig_size 确保只唤醒广播前的等待线程。
信号分发：
- pthread_cond_signal 优先唤醒 Group 1 的线程，若 Group 1 无等待线程，则唤醒 Group 2。

关键操作流程

等待操作（pthread_cond_wait）
- 线程递增 __wseq 进入等待队列。
- 根据当前组策略（Group 1 或 Group 2）更新 __g_refs 和 __g_size。
- 检查 __g_signals，若无待处理信号，则阻塞线程。
唤醒单个线程（pthread_cond_signal）
- 检查 Group 1 的 __g_size，若有等待线程，递增 __g_signals[0] 并唤醒一个线程。
- 若 Group 1 无等待线程，则对 Group 2 执行相同操作。
唤醒所有线程（pthread_cond_broadcast）
- 记录 __g1_orig_size 为当前 Group 1 的大小。
- 将 __g_signals[0] 设为 __g1_orig_size，唤醒所有 Group 1 的线程。
- Group 1 的线程唤醒后，__g_refs[0] 和 __g_size[0] 被清零，Group 2 晋升为新 Group 1。

优势

减少锁竞争
- 通过分组机制将唤醒操作分散到不同组，降低多核环境下的锁争用。
避免信号丢失
- 原子计数器和序列号确保每个等待线程都能被正确追踪。
高效广播
- __g1_orig_size 和 __g_signals 的配合使广播操作无需遍历队列，直接通过计数器批量唤醒。
内存安全
- __wrefs 防止条件变量在销毁时仍有线程等待。

示例场景
假设一个生产者-消费者模型：

消费者线程 调用 pthread_cond_wait 进入等待，加入 Group 1，递增 __wseq、__g_refs[0] 和 __g_size[0]。
生产者线程 调用 pthread_cond_signal，发现 Group 1 的 __g_size[0] > 0，递增 __g_signals[0] 并唤醒一个消费者。
唤醒的消费者递减 __g_refs[0] 和 __g_size[0]，继续执行任务。

2 pthread_mutex_t

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编程日记 2025/5/9 13:52:41

SpringBoot使用分组校验解决同一个实体对象在不同场景下需要不同校验规则的问题

背景添加分类的接口不需要id字段，但更新分类的接口需要id字段，当在id字段上使用NotNull注解时，会导致使用添加分类接口报id字段不能为空的错误解决定义分组 pojo/Category.java // 如果没有指定分组，则默认属于Default分组…...

编程日记 2025/5/4 3:48:03

Hibernate与MybatisPlus的混用问题(Invalid bound statement (not found))

当项目里已经有了Hibernate后： spring:jpa:hibernate:ddl-auto: updateshow-sql: trueproperties:hibernate:format_sql: true 再配置yml文件就会失效： mybatis-plus:mapper-locations: classpath:mapper/*.xml# 全局策略global-config:db-config:# 自…...

编程日记 2025/5/2 8:23:27

【音视频】ffplay数据结构分析

struct VideoState 播放器封装 typedef struct VideoState {SDL_Thread *read_tid; // 读线程句柄AVInputFormat *iformat; // 指向demuxerint abort_request; // 1时请求退出播放int force_refresh; // 1时需要刷新画⾯，请求⽴即刷新画⾯的意思int paused; // 1时…...

编程日记 2025/5/2 8:22:24