Lab 4.1: Condvar

负责助教：孙一

本实验主要用于帮助大家熟悉一类典型的同步互斥原语——条件变量。后续的实验中，我们将大量使用条件变量及其变体。

1. 实验介绍

本实验中我们将利用条件变量实现一个极简的 Redis（一种用于存储键值对的内存数据库）。

本实验创建了两类进程：client 与 server。server 是一个内存数据库，存储的键（key）为 [0, 499] 的数字，对应值（value）为一系列 email 地址。client 将产生大量的随机的键并向 server 请求这些键，server 则返回这些键对应的 email 地址。

具体流程如下：

• 主进程创建 1 个 server 进程，用于维护内存键值对数据库并响应 client 的请求。

• 主进程创建 32 个 client 进程，用于发起查询请求。

• 每个 client 进程将发起 2000 次请求，每次请求包含 1 个键。client 将请求的键 key 写入一个与 server 共享的buffer，并通知 server 有请求等待响应，后续 server 收到通知后，将读取 buffer 中 client 请求的 key，并将 client 请求的 key 所对应的 value 写入 buffer 中，写入完成后， server 会通知 client 请求已完成，client 会读取 server 响应的 value 的内容，并将其写入日志文件。最终，我们的检查脚本会依次检查每个 client 输出的日志，来确认我们的 server 能够正确地响应 client 的请求。

2. 条件变量

注意到上一节，我们两次提到了“通知”，分别是：

• client 通知 server 请求到达。

• server 通知 client 请求完成。

我们可以使用条件变量来实现这种通知机制。下面我们将以一个简单的程序来演示条件变量的使用。该程序主要实现了 thread_join 功能，使 parent 进程等待 child 进程。该程序同样需要 “通知” 机制，即 child 进程调用 thread_exit 通知 parent 进程其已经完成，结束 parent 中 thread_join 的等待。

// 相关头文件请自行补全

int done = 0;
pthread_mutex_t m = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t c = PTHREAD_COND_INITIAILIZER;

void thread_exit() {
  pthread_mutex_lock(&m); // 2.2
  done = 1; // 2.1
  pthread_cond_signal(&c); // 2.2
  pthread_mutex_unlock(&m); // 2.2
}

void *child(void *arg) {
  printf("child\n");
  thread_exit();
  return NULL;
}

void thread_join() {
  pthread_mutex_lock(&m); // 2.2
  while (done == 0) // 2.1 & 2.3
    pthread_cond_wait(&c, &m); // 2.2
  pthread_mutex_unlock(&m);// 2.2
}

int main(int argc, char *argv[]) {
  printf("parent: begin\n");
  pthread_t p;
  pthread_create(&p, NULL, child, NULL);
  thread_join();
  printf("parent: end\n");
  return 0;
}

2.1 条件

我们使用一个共享变量 done 来构造“条件”。条件变量顾名思义，需要围绕某个条件进行。这里的条件是：

• 当 child 进程未退出时，done == 0，此时 parent 休眠（SLEEP）。

• 当其退出时 done == 1，并唤醒（通知）parent。

2.2 锁

我们注意到，pthread_cond_wait 与 pthread_cond_signal 是不对称的，前者的参数包含一个条件变量和一把锁，后者只需要一个条件变量。那么，为什么我们的 wait 操作需要一把锁呢？我们考虑一种 wait 不需要锁的假想实现:

void thread_exit() {
  done = 1;
  imaginary_cond_signal(&c);
}

void thread_join() {
  if (done == 0) {
    // A
    imaginary_cond_wait(&c);
  }
}

假设 parent 执行到 A 处，此时调度器调度 child 运行，child 调用 thread_exit 做了两件事：

• 将 done 设为 1。

• 调用 imaginary_cond_signal(&c) 尝试通知 parent 其已经退出。

条件变量的 signal 只会唤醒当前已经在 wait 的线程，任何在此 signal 之后的 wait 都不会察觉到此 signal 的发生。这点与 semaphore 很不一样。可以通过以下案例验证：

int main() {
    pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
    pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
    printf("1\n");
    pthread_cond_signal(&cond);
    printf("2\n");
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    printf("3\n");
    pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
    printf("4\n");
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    printf("5\n");
}

在我们这里的执行顺序中，parent 尚未调用 imaginary_cond_wait，这意味着当调度器重新调度 parent 并执行 imaginary_cond_wait 时，其将永久休眠！

因此，我们需要一把锁，锁住的是共享变量 done，或者说是条件变量的“条件”。也就是说，原版 thread_join 的等价代码是：

void thread_join() {
  pthread_mutex_lock(&m);
  while (done == 0) {
    // pthread_cond_wait(&c, &m); 相当于
    add_to_the_wait_queue_of(&c);
    pthread_mutex_unlock(&m);
    sleep();
    pthread_mutex_lock(&m);
  }
  pthread_mutex_unlock(&m);
}

这就避免了 “parent 还没有 wait，child 就已经提前 signal，最终 parent 一睡不醒” 的问题。

2.3 循环

while (done == 0) {
  pthread_cond_wait(&c, &m);
}

尽管在这个案例中，使用 if 代替 while 似乎不会有问题。这是因为，这个案例中只有 child 会写 done，只有 parent 会读 done。然而，在更一般的案例中，可能存在多个进程（线程）同时写 done，多个进程（线程）同时读 done。由于 pthread 的实现基于 Mesa 语义，进程被唤醒（signal）后不一定会立即执行，这意味着进程被唤醒的时候的假设（即这个例子里的 done == 0）到了进程开始运行的时候不一定成立了。因此，我们需要通过 while 循环，在进程开始运行时二次检查唤醒时的假设 done == 0，如不满足则应当继续休眠。

当然了，在这个案例中，理论上唤醒时的假设 done == 0 在运行时仍将成立，因为 done 一共只有 0 和 1 两种状态，并且没有可能从 0 变为 1。OSTEP 第 30.2 节提供了一个唤醒时假设到了运行时的假设不一定成立的案例，大家可以去阅读了解。

3. 任务

此实验不需要使用服务器，本地完成即可。

git clone https://github.com/Boreas618/Condvar.git

依照上述介绍与项目中的注释完成 main.c 的 todo 处内容。完成后 make check 验证程序正确性。

4. 提交

提交方式：将代码与实验报告打包提交到 elearning 上，格式为 学号-lab4.1.zip。

注意：从lab1开始，用于评分的代码以实验报告提交时为准。如果需要使用新的代码版本，请重新提交实验报告。

截止时间：11月1日23:59。