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linux21 线程同步--互斥锁

news 2025/10/29 13:31:21

学习互斥锁之前我们引入以下问题：

我们创建五个线程分别对val进行++打印1000次：

#include<stdio.h>#include<pthread.h>#include<unistd.h>#include<stdlib.h>#include<semaphore.h>int val=0;void* fun(void*arg){for(int i=0;i<10000;i++){val++;printf("val=%d\n",val);}}int main(){pthread_t id[5];int i=0;for(;i<5;i++){pthread_create(&id[i],NULL,fun,NULL);}for(i=0;i<5;i++){pthread_join(id[i],NULL);}exit(0);}

运行结果：

我们可以通过观察发现次代码并没有符合我们的预期打印50000，这是因为多个线程同时对val++造成的，为了解决这种现象我们利用互斥锁来来进行控制。

13.3.1互斥锁的基本概念

互斥锁是最常用的线程同步机制，用于保证在任意时刻只有一个线程可以访问特定的资源

竞态条件：当多个线程同时读写共享资源，且最终结果依赖于线程执行的先后顺序时，会出现不可预测的错误（如两个线程同时给计数器加 1，结果可能少加一次）。

互斥锁：本质是一个 “锁”，通过独占访问机制，保证同一时间只有一个线程能进入 “临界区”（操作共享资源的代码段），其他线程需等待锁释放后才能进入。

核心特性：

原子性：锁定操作是原子的，不会被中断

唯一性：一个线程锁定后，其他线程无法锁定，直到解锁

非繁忙等待：等待锁的线程会被挂起，不消耗CPU资源

13.3.2互斥锁的工作原理

互斥锁的状态有两种：未锁定（解锁）和锁定（持有）。其工作流程如下：

线程进入临界区前，尝试获取锁（ lock ）：

若锁处于 “未锁定” 状态，线程获取锁并将其设为 “锁定” 状态，进入临界区执行操作。

若锁处于 “锁定” 状态，线程会阻塞等待（进入休眠或循环检测），直到锁被释放。

线程离开临界区时，必须释放锁（ unlock ），将锁设为 “未锁定” 状态，唤醒其他等待该锁的线程。

13.3.3互斥锁相应函数

函数原型	功能说明
int pthread_mutex_init( pthread_mutex_t mutex, const pthread_mutexattr_t attr)	初始化互斥锁（ attr 为属性，通常设为 NULL 使用默认属性）。
int pthread_mutex_lock( pthread_mutex_t *mutex)	获取锁：若锁未被持有，则锁定并返回；否则阻塞等待。
int pthread_mutex_trylo ck(pthread_mutex_t *mutex)	尝试获取锁：若锁未被持有，则锁定并返回 0；否则立即返回非 0（不阻塞）。
int pthread_mutex_unloc k(pthread_mutex_t *mutex)	释放锁：将锁设为未锁定状态，唤醒等待的线程。
int pthread_mutex_destr oy(pthread_mutex_t *mutex)	销毁互斥锁，释放资源。

1.初始化函数

静态初始化：

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

动态初始化：


pthread_mutex_t mutex;pthread_mutex_init(&mutex, NULL); // NULL表示使用默认属性

2.加锁解锁函数：

pthread_mutex_t mutex;pthread_mutex_lock(&mutex);加锁pthread_mutex_unlock(&mutex);解锁

13.3.4关键注意事项

锁的粒度：

临界区应尽可能小（只包含操作共享资源的代码），避免长时间持有锁导致其他线程阻塞，降低并发效率。

反例：在锁内包含睡眠（ sleep ）、IO 操作等耗时任务，会严重影响性能。

避免死锁：死锁是指两个或多个线程互相等待对方释放锁，导致永久阻塞。常见原因及避免方法：

循环等待：线程 A 持有锁 1 并等待锁 2，线程 B 持有锁 2 并等待锁 1。解决：所有线程按固定顺序获取锁（如先锁 1 后锁 2）。

忘记释放锁：线程获取锁后因异常退出（如未处理的信号），未释放锁。解决：用 “资源获取即初始化（RAII）” 模式（C++ 中常用），在对象析构时自动释放锁。

递归锁与非递归锁：

默认互斥锁是非递归锁：同一线程多次获取同一锁会导致死锁（自身阻塞）。

若需同一线程多次获取锁（如递归函数中操作共享资源），需使用递归锁（通过属性 PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE 初始化）。

互斥锁与信号量的区别：

互斥锁强调 “独占”，通常用于保护临界区，所有权明确（谁获取谁释放）。

信号量强调 “计数”，可用于控制多个线程同时访问资源（如限制 5 个线程同时读写文件）。

13.3.5总结

我们对以上代码进行修改：


#include<stdio.h>#include<pthread.h>#include<unistd.h>#include<stdlib.h>#include<semaphore.h>int val=0;pthread_mutex_t mutex;void* fun(void*arg){for(int i=0;i<10000;i++){pthread_mutex_lock(&mutex);val++;pthread_mutex_unlock(&mutex);printf("val=%d\n",val);}}int main(){pthread_t id[5];int i=0;pthread_mutex_init(&mutex,NULL);for(;i<5;i++){pthread_create(&id[i],NULL,fun,NULL);}for(i=0;i<5;i++){pthread_join(id[i],NULL);}pthread_mutex_destroy(&mutex);exit(0);}

运行结果：