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线程同步与互斥核心要点整理

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一、同步与互斥基础

1. 核心问题：

   • 数据竞争：多线程共享资源（全局变量、文件、数据库）时，CPU时间片轮询可能导致数据错乱。
   • 示例：银行账户操作中，存钱与取钱线程并发执行可能破坏余额一致性。

2. 关键概念：

   • 互斥：同一时间仅一个线程访问临界资源，通过互斥锁实现。
   • 同步：控制线程执行顺序，通过信号量、条件变量实现。
   • 临界资源：多线程共享的资源（如int money）。
   • 临界区：操作临界资源的代码段（如修改money的代码）。

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二、互斥锁（pthread_mutex_t）

1. 核心函数：

   函数	功能	参数说明
   pthread_mutex_init()	初始化锁（静态/动态）	锁指针、属性（NULL为普通锁）
   pthread_mutex_lock()	阻塞式加锁	锁指针
   pthread_mutex_trylock()	非阻塞尝试加锁	锁指针
   pthread_mutex_unlock()	解锁	锁指针
   pthread_mutex_destroy()	销毁锁	锁指针

2. 特性：

   • 普通锁：重复加锁会导致死锁。
   • 递归锁：允许同一线程多次加锁，通过属性PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP设置。
   • 代码示例：

     c

     	pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
     	pthread_mutex_lock(&mutex);
     	// 临界区操作
     	pthread_mutex_unlock(&mutex);

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三、死锁与递归锁

1. 常见死锁场景：

   • 重复加锁：同一线程对同一锁多次加锁。
   • 交叉加锁：线程A持有锁1请求锁2，线程B持有锁2请求锁1。
   • 未释放锁：线程异常退出未解锁。

2. 递归锁解决方案：

   • 初始化递归锁：

     	pthread_mutexattr_t attr;
     	pthread_mutexattr_init(&attr);
     	pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP);
     	pthread_mutex_init(&mutex, &attr);

   • 递归锁示例：允许函数递归调用时多次加锁。

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四、信号量（sem_t）

1. 核心函数：

   函数	功能	参数说明
   sem_init()	初始化信号量	信号量指针、共享标志（0为线程共享）、初始值
   sem_wait()	P操作（信号量减1，阻塞）	信号量指针
   sem_post()	V操作（信号量加1）	信号量指针
   sem_destroy()	销毁信号量	信号量指针

2. 应用场景：

   • 控制并发线程数：如允许多个线程同时写入日志文件。
   • 生产者-消费者模型：通过信号量协调生产与消费的节奏。
   • 代码示例：

     	sem_t sem;
     	sem_init(&sem, 0, 3); // 允许3个线程并发访问
     	sem_wait(&sem); // 进入临界区
     	sem_post(&sem); // 退出临界区

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五、条件变量（pthread_cond_t）

1. 核心函数：

   函数	功能	参数说明
   pthread_cond_init()	初始化条件变量	条件变量指针、属性（通常为NULL）
   pthread_cond_wait()	阻塞线程，释放锁并等待信号	条件变量指针、互斥锁指针
   pthread_cond_signal()	唤醒一个等待线程	条件变量指针
   pthread_cond_broadcast()	唤醒所有等待线程	条件变量指针
   pthread_cond_destroy()	销毁条件变量	条件变量指针

2. 应用场景：

   • 生产者-消费者模型：生产者生产数据后唤醒消费者。
   • 解决空转问题：通过标志位（如flag）判断是否需要等待。
   • 代码示例：

     	pthread_cond_t cond;
     	pthread_mutex_t mutex;
     	int flag = 0;
     	// 生产者
     	pthread_mutex_lock(&mutex);
     	flag = 1;
     	pthread_cond_signal(&cond);
     	pthread_mutex_unlock(&mutex);
     	// 消费者
     	pthread_mutex_lock(&mutex);
     	while (flag == 0) {
     	pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
     	}
     	// 消费数据
     	pthread_mutex_unlock(&mutex);

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六、线程顺序控制

1. 互斥锁实现顺序控制：
   • 示例：通过多把锁强制线程执行顺序（如打印ABC）。

     	// 线程A
     	pthread_mutex_lock(&a);
     	printf("A");
     	pthread_mutex_unlock(&b);
     	// 线程B
     	pthread_mutex_lock(&b);
     	printf("B");
     	pthread_mutex_unlock(&c);
     	// 线程C
     	pthread_mutex_lock(&c);
     	printf("C");
     	pthread_mutex_unlock(&a);

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七、生产者-消费者模型优化

1. 最终版代码逻辑：
   • 双条件变量：生产者和消费者使用不同的条件变量（cond和cond1）。
   • 共用互斥锁：通过flag标志位和循环检查避免空转。
   • 核心代码：

     	// 生产者
     	pthread_mutex_lock(&mutex);
     	while (flag != 0) pthread_cond_wait(&cond1, &mutex);
     	flag = 1;
     	pthread_cond_signal(&cond);
     	pthread_mutex_unlock(&mutex);
     	// 消费者
     	pthread_mutex_lock(&mutex);
     	while (flag != 1) pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
     	flag = 0;
     	pthread_cond_signal(&cond1);
     	pthread_mutex_unlock(&mutex);

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八、机制对比与最佳实践

机制	用途	特点
互斥锁	保证临界资源独占访问	简单高效，但无法控制顺序
信号量	控制并发线程数量	可设置资源池大小（如连接池）
条件变量	线程间状态通知与协作	需配合互斥锁，解决复杂同步问题

最佳实践：

1. 避免死锁：按固定顺序请求锁，使用超时机制（如pthread_mutex_trylock）。
2. 减少锁粒度：仅对必要代码段加锁，缩短临界区。
3. 优先使用高层同步机制：条件变量适合复杂同步逻辑，信号量适合资源池控制。