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wzjs 2025/8/18 21:55:28

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1. 什么是互斥锁（Mutex）？

互斥锁（Mutex，Mutual Exclusion） 是一种用于多线程编程的同步机制，用于保护共享资源（如变量、内存、文件等），确保在同一时刻只有一个线程可以访问共享资源。互斥锁的目的是防止多个线程同时访问共享资源，避免由于并发操作引发的数据竞争（race condition）和不一致的结果。

线程同步问题：在多线程环境中，多个线程可能同时访问或修改共享数据。没有适当的同步机制时，程序的行为可能变得不可预测。为了防止这种情况，互斥锁用于控制对共享资源的访问，保证同一时间只有一个线程可以访问资源。

2. 没有使用互斥锁的错误示例

我们先看一个没有使用互斥锁的简单例子，展示在多线程中如何出现数据竞争。

没有互斥锁导致的加减叠加问题：

假设我们有一个共享的全局变量 counter，多个线程同时对它进行加法或减法操作，导致结果错误。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

int counter = 0;  // 共享变量

// 增加线程函数
void* increment(void* arg) {for (int i = 0; i < 1000000; i++) {counter++;  // 增加操作}return NULL;
}

// 减少线程函数
void* decrement(void* arg) {for (int i = 0; i < 1000000; i++) {counter--;  // 减少操作}return NULL;
}

int main() {pthread_t t1, t2;
// 创建两个线程pthread_create(&t1, NULL, increment, NULL);pthread_create(&t2, NULL, decrement, NULL);// 等待两个线程结束pthread_join(t1, NULL);pthread_join(t2, NULL);// 打印最终结果printf("Final counter value: %d\n", counter);return 0;

}

//输出的结果是随机的

在这个程序中，我们创建了两个线程：

increment 线程不断地增加 counter 的值。
decrement 线程不断地减少 counter 的值。

由于这两个线程在修改 counter 时没有同步机制，它们可能会同时访问和修改 counter 变量。例如：

线程 A（increment）读取 counter 的值（假设是 0），然后增加 1。
线程 B（decrement）也读取 counter 的值（假设也是 0），然后减少 1。

由于没有同步，两者的修改会“互相覆盖”，导致最终的结果与预期不符。这种情况被称为 数据竞争（race condition）。

3. 使用互斥锁解决问题

为了解决上面的问题，我们可以使用 互斥锁（mutex） 来确保每次只有一个线程可以访问和修改 counter 变量。

使用互斥锁的正确流程

加入互斥锁后的程序：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

int counter = 0;  // 共享变量
pthread_mutex_t lock;  // 互斥锁

// 增加线程函数
void* increment(void* arg) {for (int i = 0; i < 1000000; i++) {pthread_mutex_lock(&lock);  // 获取锁counter++;  // 增加操作pthread_mutex_unlock(&lock);  // 释放锁}return NULL;
}

// 减少线程函数
void* decrement(void* arg) {pthread_mutex_lock(&lock);  // 获取锁for (int i = 0; i < 1000000; i++) {counter--;  // 减少操作}pthread_mutex_unlock(&lock);  // 释放锁//这两种方式都可以return NULL;
}

int main() {pthread_t t1, t2;
// 初始化互斥锁pthread_mutex_init(&lock, NULL);// 创建两个线程pthread_create(&t1, NULL, increment, NULL);pthread_create(&t2, NULL, decrement, NULL);// 等待两个线程结束pthread_join(t1, NULL);pthread_join(t2, NULL);// 打印最终结果printf("Final counter value: %d\n", counter);// 销毁互斥锁pthread_mutex_destroy(&lock);return 0;

}

解释：

互斥锁的使用：
- 在 increment 和 decrement 线程的关键部分，分别用 pthread_mutex_lock(&lock) 来获取锁，用 pthread_mutex_unlock(&lock) 来释放锁。
- 只有在一个线程获得锁后，另一个线程才能访问共享资源 counter，从而避免并发冲突。
pthread_mutex_init(&lock, NULL)：
- 初始化互斥锁。在使用互斥锁之前，需要先进行初始化。
pthread_mutex_destroy(&lock)：
- 在程序结束时销毁互斥锁，释放资源。