线程同步之互斥量

多线程共享全局变量 → 数据竞争问题 ↓ 需要同步机制 → 互斥量(Mutex)解决方案 ↓ 互斥量使用模式 → 初始化、加锁、解锁、销毁

全局变量同步问题

• 在多线程程序中，如果多个线程同时对共享的全局变量进行读写操作，可能会出现数据竞争（Race Condition）问题，导致最终结果与预期不一致

/* 为突出问题 代码省略了错误处理*/#include<pthread.h>#include<stdio.h>#include<stdlib.h>staticintglob;// 全局变量，被所有线程共享// 线程函数void*ThreadFunc(void*arg){intloops=*((int*)arg);// 从参数中获取循环次数intloc,j;for(j=0;j<loops;j++){loc=glob;// 读取全局变量loc++;// 局部变量自增glob=loc;// 将局部变量的值赋给全局变量}pthread_exit(NULL);// 线程退出}intmain(intargc,constchar*argv[]){pthread_ttid1,tid2;// 定义两个线程 IDintloops;// 检查命令行参数if(argc!=2){fprintf(stderr,"%s [loops]\n",argv[0]);exit(EXIT_FAILURE);}// 从命令行参数中读取循环次数if(sscanf(argv[1],"%d",&loops)!=1){fprintf(stderr,"Invalid loops\n");exit(EXIT_FAILURE);}// 创建两个线程，都执行 ThreadFunc 函数pthread_create(&tid1,NULL,ThreadFunc,&loops);pthread_create(&tid2,NULL,ThreadFunc,&loops);// 等待两个线程结束pthread_join(tid1,NULL);pthread_join(tid2,NULL);// 打印最终的全局变量值printf("glob = %d\n",glob);return0;}

• 理论上，如果loops为 n，最终glob的值应该是 2n，但结果似乎并不总是这样

• 两个线程同时执行上述操作时，可能会出现以下情况：
  • 线程A读取glob值（例如100）
  • 线程B也读取glob（仍为100）
  • 两个线程都执行loc++
  • 最终glob可能只增加一次，而非两次
• 被称为非原子操作导致的同步问题

互斥量

• 互斥量（Mutex）是一种锁机制，用于保护共享资源，确保同一时间只有一个线程能访问该资源
• 属于pthread_mutex_t类型，需在使用前初始化
• 合理使用互斥量可保证线程安全，提升程序稳定性

互斥量初始化方式

静态初始化（编译时）

• 对于静态分配的互斥量而言，将PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER赋给互斥量
• 适用于全局变量或静态变量
• 系统会自动初始化为解锁状态

#include<pthread.h>pthread_mutex_tmutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

静态初始化的方式等效于通过调用pthread_mutex_init()进行动态初始化，并将参数attr指定为NULL，但不会执行错误检查

动态初始化（运行时）

• 适用于动态分配于堆或栈上的互斥量
  • 动态创建针对某一结构的链表，表中每个结构都包含一个pthread_mutex_t类型的字段来存放互斥量，借以保护对该结构的访问
• 需要自定义属性

#include<pthread.h>intpthread_mutex_init(pthread_mutex_t*restrict mutex,constpthread_mutexattr_t*restrict attr);

• mutex：指定函数执行初始化操作的目标互斥量
• attr：是指向pthread_mutexattr_t类型对象的指针，该对象在函数调用之前已经过了初始化处理，用于定义互斥量的属性。
  • 若将attr参数置为NULL，则该互斥量的各种属性会取默认值

互斥量操作函数

临界区（Critical Section）

pthread_mutex_lock(&mutex);// 临界区：访问共享资源的代码glob++;pthread_mutex_unlock(&mutex);

互斥量解决同步问题

• 静态初始化

#include<pthread.h>#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<string.h>staticintglob;//临界资源pthread_mutex_tmutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;// 静态初始化互斥量void*ThreadFunc(void*arg){intloops=*((int*)arg);intloc,j;for(j=0;j<loops;j++){pthread_mutex_lock(&mutex);//加锁与解锁的代码区域被称为 临界区loc=glob;loc++;glob=loc;pthread_mutex_unlock(&mutex);}pthread_exit(NULL);}intmain(intargc,constchar*argv[]){pthread_ttid1,tid2;intloops;if(argc!=2){fprintf(stderr,"%s [loops]\n",argv[0]);exit(EXIT_FAILURE);}if(sscanf(argv[1],"%d",&loops)!=1){fprintf(stderr,"Invalid loops\n");exit(EXIT_FAILURE);}intret=pthread_create(&tid1,NULL,ThreadFunc,&loops);if(ret!=0){fprintf(stderr,"pthread_create:%s\n",strerror(ret));exit(EXIT_FAILURE);}ret=pthread_create(&tid2,NULL,ThreadFunc,&loops);if(ret!=0){fprintf(stderr,"pthread_create:%s\n",strerror(ret));exit(EXIT_FAILURE);}ret=pthread_join(tid1,NULL);if(ret!=0){fprintf(stderr,"pthread_join tid1:%s\n",strerror(ret));exit(EXIT_FAILURE);}ret=pthread_join(tid2,NULL);if(ret!=0){fprintf(stderr,"pthread_join tid2:%s\n",strerror(ret));exit(EXIT_FAILURE);}printf("glob = %d\n",glob);return0;}

• 动态初始化

/* 省略了错误处理*/#include<pthread.h>#include<stdio.h>#include<stdlib.h>staticintglob;structthread{intloops;pthread_mutex_tmutex;};// 线程函数void*ThreadFunc(void*arg){structthread*data=(structthread*)arg;// 从参数中获取循环次数intloc,j;for(j=0;j<data->loops;j++){pthread_mutex_lock(&data->mutex);glob++;pthread_mutex_unlock(&data->mutex);}pthread_exit(NULL);// 线程退出}intmain(intargc,constchar*argv[]){pthread_ttid1,tid2;// 定义两个线程 IDstructthreaddata;pthread_mutex_init(&data.mutex,NULL);// 检查命令行参数if(argc!=2){fprintf(stderr,"%s [loops]\n",argv[0]);exit(EXIT_FAILURE);}// 从命令行参数中读取循环次数if(sscanf(argv[1],"%d",&data.loops)!=1){fprintf(stderr,"Invalid loops\n");exit(EXIT_FAILURE);}// 创建两个线程，都执行 ThreadFunc 函数pthread_create(&tid1,NULL,ThreadFunc,&data);pthread_create(&tid2,NULL,ThreadFunc,&data);// 等待两个线程结束pthread_join(tid1,NULL);pthread_join(tid2,NULL);pthread_mutex_destroy(&data.mutex);// 打印最终的全局变量值printf("glob = %d\n",glob);return0;}

注意问题

• 静态初始化用于全局/静态变量，动态初始化用于局部/动态变量
• 不要重复初始化已初始化的互斥量
• 不要在锁定的状态下销毁互斥量
• 确保所有线程解锁后再销毁互斥量
• 加锁与解锁必须成对出现，避免死锁
• 临界区应尽量简短，避免长时间占用锁
• **互斥锁无论读写都只能被一个线程持有。****读写锁的核心特点是读锁共享（多个线程可同时持有读锁）、写锁独占（仅一个线程可持有写锁）。**两者都需要初始化，性能取决于场景（读多写少场景读写锁更优）