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【多线程】互斥锁（Mutex）是什么？

news 2025/9/25 13:52:52

【多线程】互斥锁（Mutex）是什么？

本文来自于我关于多线程系列文章。欢迎阅读、点评与交流
1.【多线程】互斥锁（Mutex）是什么？
2.【多线程】信号量（Semaphore）是什么？
3.【多线程】信号量（Semaphore）常见的应用场景

互斥锁（Mutex） 是多线程编程中最基本、最重要的同步工具之一。它的名字揭示了它的核心功能：互斥（Mutual Exclusion）。

一句话概括

互斥锁就像是一个只有一个钥匙的厕所。一个人（线程）进去后，会把门锁上（加锁），手里拿着唯一的钥匙。其他想用厕所的人（线程）必须等在门口（阻塞），直到里面的人出来（解锁）并把钥匙交给下一个人才行。

核心概念

互斥锁用于保护临界区（Critical Section）。临界区是一段代码，在这段代码中会访问共享资源（如全局变量、文件、设备等），这段代码不能被多个线程同时执行，否则可能导致数据不一致、逻辑错误等问题。

互斥锁提供了两个基本操作：

加锁（Lock）：
- 一个线程在进入临界区之前，必须尝试获取锁。
- 如果锁当前是空闲的（未被任何线程持有），那么该线程成功获得锁，并进入临界区执行。
- 如果锁已经被其他线程持有，那么当前线程会被阻塞（即进入等待状态），直到锁被释放。
解锁（Unlock）：
- 一个线程在离开临界区时，必须释放它持有的锁。
- 这个操作会使锁变为空闲状态。如果有其他线程正在等待这个锁，操作系统会唤醒其中一个等待的线程，该被唤醒的线程随后可以获得锁并继续执行。

一个生动的比喻：会议室与白板

想象一个团队共用一间会议室和一块白板（共享资源）进行头脑风暴。

互斥锁就像是会议室门上的一个状态牌，只有两种状态：“空闲”或“使用中”。
线程就像是想要使用会议室的团队成员。
临界区就是使用会议室和白板进行讨论的整个过程。

工作流程如下：

Alice想用会议室。她看到状态是“空闲”，于是把它翻到“使用中”，然后进去开始在白板上写写画画。（加锁成功）
Bob也想用会议室。他来到门口，看到状态是“使用中”，于是他只好在门口等待。（尝试加锁，但被阻塞）
Alice讨论完了，擦干净白板，走出会议室，并把状态牌翻回“空闲”。（解锁）
Bob看到状态变为“空闲”，立即将牌子翻到“使用中”，然后进入会议室使用。（被唤醒并加锁成功）

这个机制确保了同一时间只有一个人能在白板上写字，避免了 ideas 被混乱地写在一起。

关键特性

所有权（Ownership）：
- 这是互斥锁与信号量最关键的区别。互斥锁有所有者的概念，即哪个线程加了锁，就必须由同一个线程来解锁。其他线程不能帮你解锁。
- 这个特性避免了许多复杂的同步错误。
原子性（Atomic Operations）：
- 检查锁状态和获取锁这两个动作是合并为一个原子操作完成的。这意味着在这个操作过程中不会被其他线程打断，从而保证了即使多个线程同时尝试加锁，也只有一个能成功。
排队（Queuing）：
- 当多个线程等待同一个锁时，它们通常会进入一个等待队列。当锁被释放时，操作系统会从队列中选一个线程（具体的挑选策略可能因系统而异，如先进先出FIFO或优先级）来唤醒它。

代码示例（伪代码）

让我们看一个经典的“银行账户取款”例子。如果没有锁，多个线程同时取款会导致余额错误。

// 伪代码// 1. 定义一个全局的互斥锁
Mutex lock;
// 2. 共享资源：账户余额
int account_balance = 1000;void withdraw_money(int amount) {// 3. 进入临界区前：加锁lock.lock(); // --- 临界区开始 ---// 以下操作是安全的，不会被其他线程打断if (account_balance >= amount) {// 模拟一些操作时间，如果没有锁，问题更容易在这里暴露sleep(1); account_balance = account_balance - amount;print("取款成功，余额为：", account_balance);} else {print("余额不足！");}// --- 临界区结束 ---// 4. 离开临界区：解锁lock.unlock(); 
}// 主程序
main() {Thread thread1 = create_thread(withdraw_money, 800); // 线程1取800Thread thread2 = create_thread(withdraw_money, 800); // 线程2也取800thread1.join();thread2.join();
}

可能的结果：

无锁情况：两个线程都检查余额（1000>800），都认为可以取款，最终余额可能变为 -600，这是严重的错误。
有锁情况：
- 线程1先获得锁，执行完整个取款流程（余额变为200）后释放锁。
- 线程2然后获得锁，检查余额（200 < 800），打印“余额不足”。
- 结果是正确的。

互斥锁（Mutex） vs. 信号量（Semaphore）

为了更清晰地理解，我们再对比一下：

特性	互斥锁 (Mutex)	二进制信号量 (Binary Semaphore, =1)
核心目的	实现互斥	发信号、同步（也可用于互斥）
所有权	有。锁的持有者必须负责解锁。	无。任何线程都可以执行 `V()`（释放）。
行为	保护一个临界区，让线程“串行”访问。	像一个开关，通知一个线程某个事件已发生。
复杂度/风险	简单直观，不易出错。	更灵活，但也更容易误用（如错误的释放顺序）。