【Linux】从互斥原理到C++ RAII封装实践

JhonKI2025-03-15 12:36

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文章目录

📢前言

紧接上回的线程C++封装，这回笔者着重介绍一下互斥的原理和其必要性，并手把手使用C++封装一个RAII模型。

还有一点，笔者之后的封装都会使用之前博客中封装好的容器，需要的可以去仓库或者前面的博客中自取。

RAII 的核心思想是将资源的获取和初始化放在对象的构造函数中进行，而资源的释放放在对象的析构函数中进行。当对象被创建时，其构造函数会自动执行，从而完成资源的获取；当对象的生命周期结束时，其析构函数会被自动调用，从而完成资源的释放。这样，资源的生命周期就与对象的生命周期绑定在一起，利用 C++ 等语言的对象自动销毁机制来确保资源的正确释放。

🏳️‍🌈一、从场景看互斥：为什么需要锁？

假设你的银行账户余额是1000元，同时有两个线程执行转账操作：

  • 线程A：存入200元 → balance += 200
  • 线程B：取出300元 → balance -= 300
    无锁情况下可能的执行顺序：
cpp 复制代码 
线程A读取balance(1000) → 线程B读取balance(1000) → 
线程A写入1200 → 线程B写入700  
最终结果：700元（正确应为900元）

🏳️‍🌈二、互斥锁核心概念图解

2.1 临界区与非临界区

cpp 复制代码 
void* thread_func(void* arg) {
    // 非临界区（可并发执行）
    prepare_data();  
    
    // 临界区（需互斥访问）
    pthread_mutex_lock(&mtx);
    update_shared_resource();  
    pthread_mutex_unlock(&mtx);
    
    // 非临界区（可并发执行）
    post_process();
}

关键特征：

🔵 ​非临界区：允许多线程并行（如图中绿色区域）

🔴 ​临界区：同一时刻仅一个线程执行（红色区域）

2. 2 进程线程间的互斥相关背景概念

  • 临界资源:多线程执行流共享的资源就叫做临界资源
  • 临界区:每个线程内部，访问临界资源的代码，就叫做临界区
  • 互斥:任何时刻，互斥保证有且只有一个执行流进入临界区，访问临界资源，通常对临界资源起保护作用
  • 原子性:(后面讨论如何实现):不会被任何调度机制打断的操作，该操作只有两态，要么完成，要么未完成

🏳️‍🌈三、Linux互斥锁原理剖析

核心操作流程：

cpp 复制代码 
sequenceDiagram
    participant 线程A
    participant 互斥锁
    participant 内核
    
    线程A->>互斥锁: pthread_mutex_lock()
    alt 锁空闲
        互斥锁-->>线程A: 立即获得锁
    else 锁被占
        线程A->>内核: 进入休眠队列
        内核-->>线程A: 唤醒并获取锁
    end
    线程A->>临界区: 执行操作
    线程A->>互斥锁: pthread_mutex_unlock()

3.2 初始化互斥量

方法一：静态分布

cpp 复制代码 
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

方法二：动态分布

cpp 复制代码 
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

mutex ：要初始化的互斥量
attr：NULL

3.3 销毁互斥量

销毁互斥量需要注意：

  • 使用 PTHREAD_MUTEXINITIALIZER 初始化的互斥量不需要销毁
  • 不要销毁一个已经加锁的互斥量
  • 已经销毁的互斥量，要确保后面不会有线程再尝试加锁
cpp 复制代码 
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex)；

互斥量加锁和解锁

cpp 复制代码 
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
返回值:成功返回0,失败返回错误号

调⽤ pthread_mutex_lock 时，可能会遇到以下情况:

  • 互斥量处于未锁状态，该函数会将互斥量锁定，同时返回成功
  • 发起函数调用时，其他线程已经锁定互斥量，或者存在其他线程同时申请互斥量，但没有竞争到互斥量，那么pthread lock调用会陷入阻塞(执行流被挂起)，等待互斥量解锁。

3.3 pthread_mutex 底层实现

cpp 复制代码 
// 锁结构（简化为x86实现）
struct pthread_mutex {
    int __lock;          // 锁状态标识
    int __count;         // 递归锁计数器
    int __owner;         // 持有者线程ID
    int __kind;          // 锁类型标识
    // ... 其他字段
};

🏳️‍🌈四、C++ RAII封装实战

4.1 基础互斥类（Mutex）

cpp 复制代码 
// 互斥锁封装类（不可拷贝构造/赋值）
    class Mutex
    {
    public:
        // 禁止拷贝（保护系统锁资源）
        Mutex(const Mutex&) = delete;
        const Mutex& operator = (const Mutex&) = delete;

        // 构造函数：初始化POSIX互斥锁
        Mutex()
        {
            // 初始化互斥锁属性为默认值
            int n = ::pthread_mutex_init(&_lock, nullptr);
            (void)n; // 实际开发建议处理错误码
        }

        // 析构函数：销毁锁资源
        ~Mutex()
        {
            // 确保锁已处于未锁定状态
            int n = ::pthread_mutex_destroy(&_lock);
            (void)n; // 生产环境应检查返回值
        }

        // 加锁操作（阻塞直至获取锁）
        void Lock()
        {
            // 可能返回EDEADLK（死锁检测）等错误码
            int n = ::pthread_mutex_lock(&_lock);
            (void)n; // 简化处理，实际建议抛异常或记录日志
        }

        // 解锁操作（必须由锁持有者调用）
        void Unlock()
        {
            // 未持有锁时解锁将返回EPERM
            int n = ::pthread_mutex_unlock(&_lock);
            (void)n; 
        }

    private:
        pthread_mutex_t _lock; // 底层锁对象
    };

4.2 守卫锁（LockGuard）

守卫锁不是新的锁类型，而是对已有锁的自动化生命周期管理工具。这种设计模式完美契合图示中"Lock-unlock"边界需要严格匹配的核心诉求

守卫锁工作流程

cpp 复制代码 
sequenceDiagram
    participant 线程
    participant 守卫锁
    participant 互斥锁
    
    线程->>守卫锁: 创建LockGuard对象
    守卫锁->>互斥锁: 调用Lock()
    互斥锁-->>守卫锁: 获得锁
    线程->>临界区: 执行操作
    线程->>守卫锁: 对象离开作用域
    守卫锁->>互斥锁: 调用Unlock()
    互斥锁-->>其他线程: 释放锁资源

实现

cpp 复制代码 
// RAII锁守卫（自动管理锁生命周期）
    class LockGuard
    {
    public:
        // 构造时加锁（必须传入已初始化的Mutex引用）
        LockGuard(Mutex &mtx):_mtx(mtx)
        {
            _mtx.Lock(); // 进入临界区
        }

        // 析构时自动解锁（异常安全保证）
        ~LockGuard()
        {
            _mtx.Unlock(); // 离开作用域自动释放
        }

    private:
        Mutex &_mtx; // 引用方式持有，避免拷贝导致未定义行为
    };

🏳️‍🌈五、完整代码

5.1 Mutex.hpp

cpp 复制代码 
#pragma once
#include <iostream>
#include <pthread.h> // POSIX线程库头文件

namespace LockModule
{
    // 互斥锁封装类（不可拷贝构造/赋值）
    class Mutex
    {
    public:
        // 禁止拷贝（保护系统锁资源）
        Mutex(const Mutex&) = delete;
        const Mutex& operator = (const Mutex&) = delete;

        // 构造函数：初始化POSIX互斥锁
        Mutex()
        {
            // 初始化互斥锁属性为默认值
            int n = ::pthread_mutex_init(&_lock, nullptr);
            (void)n; // 实际开发建议处理错误码
        }

        // 析构函数：销毁锁资源
        ~Mutex()
        {
            // 确保锁已处于未锁定状态
            int n = ::pthread_mutex_destroy(&_lock);
            (void)n; // 生产环境应检查返回值
        }

        // 加锁操作（阻塞直至获取锁）
        void Lock()
        {
            // 可能返回EDEADLK（死锁检测）等错误码
            int n = ::pthread_mutex_lock(&_lock);
            (void)n; // 简化处理，实际建议抛异常或记录日志
        }

        // 解锁操作（必须由锁持有者调用）
        void Unlock()
        {
            // 未持有锁时解锁将返回EPERM
            int n = ::pthread_mutex_unlock(&_lock);
            (void)n; 
        }

    private:
        pthread_mutex_t _lock; // 底层锁对象
    };

    // RAII锁守卫（自动管理锁生命周期）
    class LockGuard
    {
    public:
        // 构造时加锁（必须传入已初始化的Mutex引用）
        LockGuard(Mutex &mtx):_mtx(mtx)
        {
            _mtx.Lock(); // 进入临界区
        }

        // 析构时自动解锁（异常安全保证）
        ~LockGuard()
        {
            _mtx.Unlock(); // 离开作用域自动释放
        }

    private:
        Mutex &_mtx; // 引用方式持有，避免拷贝导致未定义行为
    };
}

5.2 Mutex.cc

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <sched.h>

int ticket = 0;
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

void *route(void *arg)
{
    char *id = (char *)arg;
    while (1)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if (ticket > 0)
        {
            usleep(1000);
            printf("%s sells ticket:%d\n", id, ticket);
            ticket--;
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
        }
        else
        {
            printf("%s wait on cond!\n", id);
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex); //醒来的时候，会重新申请锁！！
            printf("%s 被叫醒了\n", id);
        }
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return nullptr;
}

int main(void)
{
    pthread_t t1, t2, t3, t4;

    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    pthread_create(&t1, NULL, route, (void *)"thread 1");
    pthread_create(&t2, NULL, route, (void *)"thread 2");
    pthread_create(&t3, NULL, route, (void *)"thread 3");
    pthread_create(&t4, NULL, route, (void *)"thread 4");

    int cnt = 10;

    while(true)
    {
        sleep(5);
        ticket += cnt;
        printf("主线程放票喽, ticket: %d\n", ticket);
        pthread_cond_signal(&cond);
    }


    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);
    pthread_join(t3, NULL);
    pthread_join(t4, NULL);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
}

5.3 Makefile

cpp 复制代码 
bin=testMutex
cc=g++
src=$(wildcard *.cc)
obj=$(src:.cc=.o)

$(bin):$(obj)
	$(cc) -o $@ $^ -lpthread
%.o:%.cc
	$(cc) -c $< -std=c++17

.PHONY:clean
clean:
	rm -f $(bin) $(obj)

.PHONY:test
test:
	echo $(src)
	echo $(obj)

👥总结

本篇博文对 从互斥原理到C++ RAII封装实践 做了一个较为详细的介绍，不知道对你有没有帮助呢

觉得博主写得还不错的三连支持下吧！会继续努力的~

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