在多线程编程中,临界资源 (全局变量、文件、设备等会被多线程读写的资源)的访问控制是核心问题,主要通过互斥 和同步 机制解决,同时需规避死锁风险。
一、互斥
1. 概念
对临界资源的排他性访问,即同一时刻只能有一个线程对临界资源进行读写操作。
- 问题根源 :多线程并发执行时,指令可能被穿插调度(如
A++对应的汇编指令分 3 步执行),导致数据一致性破坏。 - 核心目标:保证临界区代码(访问临界资源的代码)的原子性。
2. 互斥锁的使用步骤
定义 → 初始化 → 加锁 → 解锁 → 销毁
3. 相关函数(POSIX 标准)
| 操作 | 函数原型 | 功能说明 |
|---|---|---|
| 定义 | pthread_mutex_t mutex; |
声明互斥锁变量 |
| 初始化 | int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr); |
初始化互斥锁,attr为NULL表示默认属性;成功返回 0,失败返回非零 |
| 加锁 | int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); |
对临界区加锁,若锁已被占用则线程阻塞;加锁后代码为原子操作(一次调度必完成);成功返回 0,失败返回非零 |
| 解锁 | int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex); |
释放互斥锁,解锁后其他线程可竞争锁;成功返回 0,失败返回非零 |
| 销毁 | int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex); |
销毁已初始化的互斥锁;成功返回 0,失败返回非零 |
4. 注意事项
- 加锁和解锁必须由同一个线程执行。
- 临界区代码需短小精悍,避免休眠、大耗时操作(否则会降低多线程效率)。
二、同步
1. 概念
线程按照特定先后顺序对临界资源进行排他性访问,是互斥的特例(互斥包含同步)。
实现方式 :常用信号量(计数信号量),可实现线程间的交叉释放(如线程 1 释放资源唤醒线程 2,线程 2 释放资源唤醒线程 1)。
2. 信号量的使用步骤
定义 → 初始化 → PV 操作 → 销毁
3. 相关函数
| 操作 | 函数原型 | 功能说明 |
|---|---|---|
| 定义 | sem_t sem; |
声明信号量变量 |
| 初始化 | int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value); |
初始化信号量:pshared=0为线程间使用,pshared≠0为进程间使用;value为信号量初始值(二值信号量常用 0/1,计数信号量可大于 1);成功返回 0,失败返回 - 1 |
| P 操作(申请资源) | int sem_wait(sem_t *sem); |
判断信号量是否有资源:有资源(value≥1)则value-1并继续执行,无资源(value=0)则线程阻塞;成功返回 0,失败返回 - 1 |
| V 操作(释放资源) | int sem_post(sem_t *sem); |
释放资源,value+1,线程不会阻塞;成功返回 0,失败返回 - 1 |
| 销毁 | int sem_destroy(sem_t *sem); |
销毁已初始化的信号量;成功返回 0,失败返回 - 1 |
4. 注意事项
- 信号量允许临界区有短暂休眠或小耗时操作(相较于互斥锁更灵活)。
- 二值信号量(
value=0/1)用于单一资源的同步,计数信号量(value>1)用于多份资源的互斥访问。
三、死锁
1. 概念
因锁资源的申请 / 释放逻辑不合理,导致线程 / 进程无法正常执行的现象。
2. 产生死锁的四个必要条件(缺一不可)
(1)互斥条件:一个资源每次只能被一个线程 / 进程使用。
(2)请求与保持条件:线程 / 进程因请求资源阻塞时,对已获得的资源保持不放。
(3)不剥夺条件:线程 / 进程已获得的资源,在未使用完之前不能被强行剥夺。
(4)循环等待条件:若干线程 / 进程形成头尾相接的循环等待资源关系。