Linux——互斥锁

一、互斥锁（Mutex）的核心概念

1. 为什么需要互斥锁？

线程共享进程的所有资源（如全局变量、文件描述符），当多个线程同时操作共享资源 时，会出现 "竞态条件"（Race Condition）------ 数据被交替修改，导致结果错乱。

举个例子 ：两个线程同时对全局变量 count 做 count++（看似简单的操作，实际是 "读→改→写" 三步）：

• 线程 A 读 count=0 → 准备改成 1，但还没写回；
• 线程 B 此时也读 count=0 → 改成 1 并写回；
• 线程 A 再写回 1；
• 最终 count=1，但预期是 2，数据错乱。

互斥锁的作用就是保证同一时间只有一个线程能操作共享资源（即 "互斥"），把 "读→改→写" 变成原子操作（不可分割）。

2. 互斥锁的核心特性

• 互斥性：同一时刻，只有一个线程能持有锁，其他线程尝试加锁会阻塞；
• 原子性：加锁 / 解锁操作是原子的，不会被 CPU 调度打断；
• 非递归：同一个线程不能重复加锁（否则会死锁）；
• 释放原则：只有持有锁的线程能解锁，其他线程解锁会报错。

3. 形象比喻

互斥锁 = 卫生间的门锁：

• 线程要使用卫生间（操作共享资源），必须先 "上锁"（加锁）；
• 其他线程想进，只能在门口等（阻塞）；
• 用完后必须 "解锁"（释放锁），否则其他线程永远进不去（死锁）；
• 同一个人不能连续锁两次门（非递归）。

二、Linux 互斥锁核心函数（pthread 库）

Linux 互斥锁的函数都在 pthread 库中，编译时需加 -lpthread，核心类型是 pthread_mutex_t。

1. 互斥锁初始化：pthread_mutex_init()

功能：初始化一个互斥锁。

函数原型：

#include <pthread.h>

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);

参数解释：

• mutex：指向 pthread_mutex_t 类型的指针，用于存储互斥锁。
• attr：指向 pthread_mutexattr_t 类型的指针，用于指定互斥锁属性。通常设置为 NULL 表示使用默认属性。
• 返回值：成功返回 0，失败返回错误码。

2. 加锁：pthread_mutex_lock()（阻塞式）

功能 ：尝试获取互斥锁 ，若锁已被其他线程持有，则当前线程阻塞（暂停运行），直到锁被释放。

函数原型：

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

参数 ：mutex：指向 pthread_mutex_t 类型的指针，用于获取互斥锁。

返回值：成功返回 0，失败返回错误码。

3. 尝试加锁：pthread_mutex_trylock()（非阻塞式）

功能 ：尝试获取互斥锁，若锁已被持有，不阻塞 ，直接返回错误码（EBUSY），线程可继续执行其他逻辑。

函数原型：

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

参数：mutex：指向 pthread_mutex_t 类型的指针，用于尝试获取互斥锁。

适用场景：不想让线程阻塞，比如 "能拿到锁就操作资源，拿不到就先做别的事"。

4. 解锁：pthread_mutex_unlock()

功能 ：释放持有的互斥锁，唤醒等待该锁的线程（由内核调度器选择一个线程获得锁）。

函数原型：

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

参数：mutex：指向 pthread_mutex_t 类型的指针，用于释放互斥锁。

注意：

• 只有持有锁的线程 能解锁，其他线程解锁会返回 EPERM 错误；
• 解锁前必须确保已加锁，否则会导致未定义行为（如死锁）。

5. 销毁互斥锁：pthread_mutex_destroy()

功能：销毁互斥锁，释放相关资源（仅适用于动态初始化的锁）。

函数原型：

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

参数：mutex：指向 pthread_mutex_t 类型的指针，用于销毁互斥锁。

注意 ：销毁前必须确保锁已解锁，且没有线程在等待该锁，否则会返回 EBUSY 错误。

三、互斥锁的常见问题与注意事项

1. 死锁（最常见问题）

死锁场景：

• 场景 1：同一个线程重复加锁（pthread_mutex_lock 调用两次）；
• 场景 2：线程 A 持有锁 1，等待锁 2；线程 B 持有锁 2，等待锁 1。

解决方法：

• 避免重复加锁；
• 统一锁的获取顺序（如先获取锁 1，再获取锁 2）；
• 用 pthread_mutex_trylock 替代阻塞加锁，超时则释放已持有的锁。

2. 锁的粒度

• 粗粒度锁：一个锁保护所有共享资源（简单，但并发效率低）；
• 细粒度锁：多个锁分别保护不同的共享资源（并发效率高，但易出死锁）；
• 建议：根据业务场景选择，新手先从粗粒度锁开始。

3. 互斥锁 vs 自旋锁

类型	特点	适用场景
互斥锁	加锁失败则阻塞（让出 CPU）	锁持有时间长（如 IO 操作）
自旋锁	加锁失败则循环重试（占用 CPU）	锁持有时间极短（如简单计数）

四、互斥锁属性（进阶）

通过 pthread_mutexattr_t 可自定义锁属性，常见属性：

1. 普通锁（默认）：重复加锁死锁，解锁非持有线程未定义；
2. 错误检查锁 ：重复加锁返回 EDEADLK，解锁非持有线程返回 EPERM；
3. 递归锁：允许同一线程多次加锁（需对应次数解锁）；

示例：初始化递归锁

pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutexattr_t attr;

// 初始化属性
pthread_mutexattr_init(&attr);
// 设置为递归锁
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
// 用自定义属性初始化锁
pthread_mutex_init(&mutex, &attr);

// 递归加锁（允许）
pthread_mutex_lock(&mutex);
pthread_mutex_lock(&mutex);
count += 10;
// 需解锁两次
pthread_mutex_unlock(&mutex);
pthread_mutex_unlock(&mutex);

// 销毁属性和锁
pthread_mutexattr_destroy(&attr);
pthread_mutex_destroy(&mutex);

五、总结

1. 互斥锁核心作用：保证同一时间只有一个线程操作共享资源，解决竞态条件；
2. 核心函数 ：
   • 初始化：pthread_mutex_init / PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER；
   • 加锁：pthread_mutex_lock（阻塞）/ pthread_mutex_trylock（非阻塞）；
   • 解锁：pthread_mutex_unlock；
   • 销毁：pthread_mutex_destroy；
3. 关键注意点 ：
   • 避免死锁（重复加锁、交叉锁）；
   • 解锁前必须加锁，且只有持有锁的线程能解锁；
   • 根据锁持有时间选择互斥锁（长）或自旋锁（短）。
4. 进程间的互斥锁

• 需要注意的是互斥锁（Mutex）主要用于多线程环境中的同步，但在多进程环境中使用互斥锁需要特别注意。标准的 POSIX 互斥锁（pthread_mutex_t）是线程私有的，不能直接用于多进程之间的同步。这是因为每个进程都有独立的地址空间，互斥锁的状态信息（如锁的持有者、锁的状态等）存储在进程的内存中，无法在不同的进程之间共享。

• 如果需要在多个进程之间共享互斥锁，必须使用 PTHREAD_PROCESS_SHARED 属性，并且互斥锁需要存储在共享内存中，这种方式过于冗杂。实际使用时，还是建议使用信号量进行资源多进程资源管理。