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线程同步：互斥锁与条件变量实战指南

news 2025/7/13 12:52:28

一、线程同步的必要性

1. 竞态条件（Race Condition）

2. 同步机制的作用

二、互斥锁（pthread_mutex）

1. 函数原型与操作

2. 示例：保护共享变量

3. 注意事项

三、条件变量（pthread_cond）

1. 函数原型与操作

2. 示例：生产者-消费者模型

3. 注意事项

四、互斥锁与条件变量的区别

五、常见问题与解决方案

1. 死锁问题

2. 条件变量未唤醒

六、总结

一、线程同步的必要性

1. 竞态条件（Race Condition）

问题：多个线程并发访问共享资源（如变量、数据结构），导致结果不可预测。
示例：两个线程同时对全局变量 count 执行 count++，最终值可能小于预期。

2. 同步机制的作用

互斥锁（Mutex）：确保同一时刻只有一个线程访问共享资源。
条件变量（Condition Variable）：协调线程间的等待与唤醒（如生产者-消费者模型）。

二、互斥锁（`pthread_mutex`）

1. 函数原型与操作

函数	作用
`pthread_mutex_init`	初始化互斥锁（静态或动态）。
`pthread_mutex_lock`	加锁。若锁已被占用，则阻塞等待。
`pthread_mutex_unlock`	解锁。允许其他线程访问共享资源。
`pthread_mutex_destroy`	销毁互斥锁，释放资源。

2. 示例：保护共享变量

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>int count = 0;
pthread_mutex_t lock;void* increment(void* arg) {for (int i = 0; i < 100000; i++) {pthread_mutex_lock(&lock);  // 加锁count++;pthread_mutex_unlock(&lock); // 解锁}return NULL;
}int main() {pthread_t t1, t2;// 初始化互斥锁pthread_mutex_init(&lock, NULL);pthread_create(&t1, NULL, increment, NULL);pthread_create(&t2, NULL, increment, NULL);pthread_join(t1, NULL);pthread_join(t2, NULL);printf("Final count: %d\n", count); // 预期输出 200000// 销毁互斥锁pthread_mutex_destroy(&lock);return 0;
}

3. 注意事项

死锁（Deadlock）：
- 同一线程重复加锁未解锁。
- 解决方法：始终按固定顺序加锁，或使用递归锁（PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE）。
错误处理：检查所有函数返回值（如 pthread_mutex_lock 返回 EDEADLK 表示死锁）。

三、条件变量（`pthread_cond`）

1. 函数原型与操作

函数	作用
`pthread_cond_init`	初始化条件变量。
`pthread_cond_wait`	等待条件满足（会自动释放锁，等待时阻塞）。
`pthread_cond_signal`	唤醒一个等待的线程。
`pthread_cond_broadcast`	唤醒所有等待的线程。
`pthread_cond_destroy`	销毁条件变量。

2. 示例：生产者-消费者模型

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>#define BUFFER_SIZE 5int buffer[BUFFER_SIZE];
int count = 0;
pthread_mutex_t lock;
pthread_cond_t not_empty;
pthread_cond_t not_full;void* producer(void* arg) {int item = 0;while (1) {pthread_mutex_lock(&lock);while (count == BUFFER_SIZE) {pthread_cond_wait(&not_full, &lock); // 缓冲区满时等待}buffer[count++] = item++;printf("Produced %d, count = %d\n", item, count);pthread_cond_signal(&not_empty); // 通知消费者pthread_mutex_unlock(&lock);usleep(100000); // 模拟生产耗时}return NULL;
}void* consumer(void* arg) {while (1) {pthread_mutex_lock(&lock);while (count == 0) {pthread_cond_wait(&not_empty, &lock); // 缓冲区空时等待}int item = buffer[--count];printf("Consumed %d, count = %d\n", item, count);pthread_cond_signal(&not_full); // 通知生产者pthread_mutex_unlock(&lock);usleep(150000); // 模拟消费耗时}return NULL;
}int main() {pthread_t p, c;pthread_mutex_init(&lock, NULL);pthread_cond_init(&not_empty, NULL);pthread_cond_init(&not_full, NULL);pthread_create(&p, NULL, producer, NULL);pthread_create(&c, NULL, consumer, NULL);pthread_join(p, NULL);pthread_join(c, NULL);pthread_mutex_destroy(&lock);pthread_cond_destroy(&not_empty);pthread_cond_destroy(&not_full);return 0;
}

3. 注意事项

条件变量必须与互斥锁配合使用：
- pthread_cond_wait 会自动释放锁，等待时阻塞。
- 被唤醒后重新获取锁，继续执行。
虚假唤醒（Spurious Wakeup）：
- 线程可能在未收到信号时被唤醒，需使用 while 循环检查条件。
广播 vs 信号：
- pthread_cond_broadcast 适用于“多消费者”场景，避免遗漏唤醒。

四、互斥锁与条件变量的区别

特性	互斥锁（Mutex）	条件变量（Condition Variable）
作用	保护共享资源的独占访问	协调线程间的等待与唤醒
使用方式	加锁/解锁操作	等待/信号操作（需配合互斥锁）
典型场景	防止竞态条件	等待特定条件成立（如缓冲区非空）
错误处理	检查加锁失败（如死锁）	检查等待失败（如中断）