Linux 多线程:互斥锁 & 信号量

基础概念

  1. 原子操作:不能被 CPU 调度打断的最小操作,一旦开始就执行完毕,中间不会切换线程。
  2. 临界代码(临界区):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,保护共享资源。

一、互斥锁 pthread_mutex_t

锁的核心作用

实现共享资源互斥访问,保证同一时间只有一个线程进入临界区。把 "读‑改‑写" 这种非原子操作包装成整体,防止并发修改把共享数据改乱;同时保证本线程修改后,其他线程可以看见最新数据,解决并发下数据一致性问题。

锁的好处与代价

✅好处:把非线程安全代码变成线程安全,避免脏读、更新丢失;可以控制执行顺序。

❌代价:带来性能开销;使用不当造成死锁;并发能力下降。

互斥锁工作原理

互斥锁依靠原子操作实现排他性。

  1. 线程 A 成功 lock 拿到锁;
  2. 其他线程调用 lock 时拿不到锁,操作系统把该线程阻塞、让出 CPU;
  3. 直到持有锁的线程执行完临界区,调用 unlock 解锁;
  4. OS 唤醒等待锁的其中一个线程,该线程才可以拿到锁继续运行。

一个进程可以定义任意多把互斥锁。

普通互斥锁不支持递归加锁:同一个线程已经拿到锁,再次 lock 直接阻塞死锁,必须先 unlock 才能再次 lock。

典型错误示范:

c 复制代码
pthread_mutex_lock(&lock);
if(0){
    pthread_mutex_unlock(&lock); // 永远执行不到解锁!锁被占用,其他线程全部卡死
}
// 没有解锁,锁永久占用 → 死锁

互斥锁 API

头文件:#include <pthread.h>

函数 作用
pthread_mutex_t lock; 定义互斥锁变量,一般作为全局变量
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr); 初始化锁;attr 传 NULL 使用默认属性;成功返回 0
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); 阻塞加锁,拿不到锁就阻塞挂起线程
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex); 非阻塞加锁,拿不到立刻返回,不会阻塞
int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t *mutex); 带超时的阻塞加锁,超时直接返回,防止永久等待
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex); 解锁;只有持有锁的线程才允许解锁
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex); 销毁锁,用完释放资源;锁还被占用会失败返回 EBUSY

编译线程代码必须加 -pthread:gcc main.c -o main -pthread

死锁

死锁:多线程使用多把锁,所有线程互相等待对方持有的锁,全部卡住,程序不再往下运行。

死锁 4 个必要条件(4 个同时满足才会死锁)
  1. 互斥条件:资源(锁)同一时刻只能一个线程占有
  2. 不可剥夺条件:已经被占用的锁,不能被别的线程强行抢走
  3. 请求与保持:线程已经持有一部分锁,同时请求另外被占用的锁,不释放手上已拿到的
  4. 循环等待:线程之间形成环形等待链,A 等 B 的锁,B 等 C 的锁,C 又等 A 的锁
避免死锁方案
  1. 使用 pthread_mutex_trylock(),拿不到锁就释放自己手上已经持有的锁,重试或者做别的逻辑
  2. 所有线程加锁顺序完全统一,统一先拿锁 A,再拿锁 B,不要有的线程 A→B,有的 B→A

二、信号量 semaphore

信号量本质代表可用资源计数,CPU、内存、缓冲区都可以当作资源。资源有限,信号量只支持:初始化、销毁、申请资源、释放资源;可以用来控制线程执行先后顺序,也可以实现互斥。

头文件:#include <semaphore.h>

函数 功能说明
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value); 初始化信号量。pshared=0:线程之间共享;pshared≠0:进程间共享,要搭配共享内存;value:初始可用资源数。成功返回 0,失败返回 -1,设置 errno
int sem_destroy(sem_t *sem); 销毁信号量,释放资源;成功 0,失败 -1
int sem_wait(sem_t *sem); 申请资源,信号量 -1;如果当前值为 0,线程阻塞等待资源;成功 0,失败 -1
int sem_post(sem_t *sem); 释放资源,信号量 +1;原子加 1,同时唤醒一个正在等待该信号量的线程;成功 0,失败 -1

小提示:

  1. 信号量初值设为 1,效果等价互斥锁,可以实现临界区保护;
  2. sem_wait 对应 P 操作(申请),sem_post 对应 V 操作(释放);
  3. 编译同样需要 -pthread。

简单对比:互斥锁 vs 信号量

  • 互斥锁:专门做互斥,谁加锁谁解锁;所有权概念。
  • 信号量:资源计数器,可以互斥,也可以做线程同步;谁都可以 post 释放,没有 "持有者" 概念。

三、可直接复制的极简示例(互斥锁)

c 复制代码
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

pthread_mutex_t lock;
int num = 0;

void *func(void *arg)
{
    int i;
    for(i = 0; i < 50000; i++)
    {
        pthread_mutex_lock(&lock);
        num++;   //临界区
        pthread_mutex_unlock(&lock);
    }
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t t1,t2;
    pthread_mutex_init(&lock,NULL);
    pthread_create(&t1,NULL,func,NULL);
    pthread_create(&t2,NULL,func,NULL);
    pthread_join(t1,NULL);
    pthread_join(t2,NULL);
    printf("num = %d\n",num);
    pthread_mutex_destroy(&lock);
    return 0;
}
相关推荐
全栈陈序员1 小时前
【Python】基础语法入门(三十三)—— 日志系统详解:用 logging 记录程序运行
java·开发语言·python
ESDWAN1 小时前
SD-WAN 是什么?工作原理、适用场景与选型要点
开发语言·网络·数据库·架构·php
云飞云共享云桌面1 小时前
智能装备工厂研发部门多设计师共享一台SolidWorks服务器做设备装配建模
运维·服务器·网络·人工智能·3d·自动化·制造
自由彩虹1 小时前
靶场通关16--victim1
linux·服务器·网络·安全·web安全·网络安全
wusam1 小时前
基于HCL的python脚本编程(4)
网络·python·智能路由器
叼烟扛炮1 小时前
Linux 学习笔记(三十九):网络基石——TCP/IP 模型与 UDP 实战
linux·运维·网络·笔记·学习·tcp/ip
闲云野鹤在人间1 小时前
头秃修炼手册:StorageClass+StatefulSet+ETCD 全套渡劫笔记
linux·数据库·笔记·云原生·kubernetes·etcd
iCxhust1 小时前
C#双时区时钟设计
开发语言·c#
wuminyu1 小时前
JVM规范学习总结:class执行性能差异
java·linux·c语言·jvm·c++
EVEN-09132 小时前
Linux-线程控制
linux·jvm