Linux多线程：互斥锁与信号量学习笔记

一、线程共享资源基础

同一进程下的多个线程：

• 共享：文本段（代码段）、数据段、堆区、文件描述符
• 私有：每个线程独立栈区、寄存器、线程局部数据

共享内存带来便利的同时，会产生资源竞争（竞态条件）：多个线程同时读写同一份共享数据，会出现数据错乱。

基础概念

1. 原子操作：不能被 CPU 调度打断的最小操作，一旦开始就必须执行完毕。

注意：C 语言普通 i++ 不是原子操作，分为读‑改‑写三步，多线程下会出错。

2. 临界区（临界代码）：被加锁、解锁包裹的代码片段。同一时刻只允许一个线程执行临界区代码，用来保护共享资源。

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二、互斥锁 pthread_mutex_t

核心作用

实现共享资源互斥访问，保证同一时刻仅有一个线程进入临界区。把非原子的读‑改‑写操作包装成逻辑上不可分割的整体，解决竞态条件，保证并发下数据一致性。

锁的代价

✅ 优点：把非线程安全的并发代码变为安全，防止脏读、数据丢失更新，可以控制执行顺序。

❌ 代价：带来性能开销；使用不当会造成死锁，程序并发能力下降。

互斥锁工作原理

互斥锁依靠底层原子操作实现排他性。一个线程成功加锁后，其他线程再次加锁会被操作系统阻塞，让出 CPU；直到持有锁的线程执行完临界区调用解锁，操作系统才唤醒等待的线程。

1. 一个进程可以创建任意数量互斥锁
2. 普通互斥锁不支持重复加锁 ：同一个线程拿到锁之后，再次调用 lock 会直接卡死；必须先解锁，才能再次加锁。

错误示例：锁加完，条件分支内才解锁，分支走不到就永久死锁

pthread_mutex_lock(&lock);
if (0) {
    pthread_mutex_unlock(&lock); // 永远执行不到，锁不释放，程序卡死
}

API 接口

头文件：#include <pthread.h>

1. 定义锁（一般全局或者堆上分配）

pthread_mutex_t lock;

2. 初始化锁

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

• mutex：锁变量地址
• attr：锁属性，传 NULL 使用默认属性
• 返回：0 成功，非 0 代表错误

3. 上锁（阻塞版）

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

拿不到锁就阻塞休眠，直到锁被释放。

4. 解锁

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

注意：只有持有锁的线程才可以解锁，其他线程调用会报错 EPERM。

5. 销毁锁

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

如果锁还被占用，销毁返回 EBUSY。

三种加锁方式对比

函数	特性	适用场景
pthread_mutex_lock()	阻塞，拿不到锁就休眠	绝大多数常规业务
pthread_mutex_trylock()	非阻塞，拿不到锁立刻返回，不阻塞	不想卡死，拿不到锁就做别的逻辑
pthread_mutex_timedlock()	带超时的阻塞等待	防止死锁，设置最大等待时间

死锁

死锁：多个线程互相持有对方需要的锁，全部线程阻塞，程序不再推进。

死锁四个必要条件（全部满足才会死锁）

1. 互斥条件：资源同一时刻只能一个线程使用
2. 不可剥夺条件：已经占有的锁，别人不能强行抢走
3. 请求与保持：线程已经持有锁，同时申请别的锁
4. 循环等待：线程之间形成锁的循环依赖

避免死锁方案

1. 使用 trylock 尝试加锁，失败就释放已经拿到的锁
2. 所有线程保持统一的加锁顺序，不要交叉申请锁

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三、信号量 sem_t

信号量本质代表有限数量的资源 ，可以用来做互斥，也可以做线程间同步。

互斥锁只允许最多 1 个线程进入临界区；信号量初始值可以大于 1，允许多个线程同时访问资源。

头文件：#include <semaphore.h>

API

1. sem_init 初始化信号量

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

• sem：信号量变量指针
• pshared：0 用于线程之间；非 0 用于进程之间（搭配共享内存）
• value：初始可用资源数目
• 返回：0 成功，‑1 失败，设置 errno

2. sem_destroy 销毁信号量

int sem_destroy(sem_t *sem);

3. sem_wait()：申请资源，信号量‑1

int sem_wait(sem_t *sem);

信号量 > 0：直接减 1 返回；信号量等于 0：线程阻塞等待，直到有资源释放。

4. sem_post()：释放资源，信号量+1

int sem_post(sem_t *sem);

原子性把信号量 +1，同时唤醒一个正在等待该信号量的线程。

小提示：

• 信号量初始值设为 1，效果等价互斥锁，可以实现互斥访问；
• 初始值大于 1，实现"允许 N 个线程同时访问资源"。

互斥锁 vs 信号量简单区分

1. 互斥锁（mutex）：专门做互斥，谁加锁，谁必须负责解锁；所有权概念。
2. 信号量（sem_t） ：资源计数器，没有所有者概念，任意线程都可以 post 释放资源，既可以互斥，也可以做线程同步、生产者消费者模型。

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编译提示

使用线程库编译，必须链接 pthread 库

gcc demo.c -o demo -pthread

笔记要点记忆：

• mutex：锁，有所有者，重复加锁直接死锁；
• sem_wait 减资源，sem_post 加资源，无所有者；
• 死锁四个条件，统一加锁顺序是最常用规避手段。