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学习笔记——线程控制 - 互斥与同步

news 2026/3/26 20:01:55

线程控制 - 互斥与同步

一、互斥（Mutex）

1.概念

在多线程中对临界资源的排他性访问。

临界资源：在多线程中会被多个线程进行读写操作的资源（全局变量、文件、设备等）
排他访问：同一时刻只能有一个线程进行读写操作

2.用途

在多线程中，一个资源同一时刻只能有一个线程访问。

示例问题

int A = 0; // 临界资源 // 线程1 void* th1(void* arg) { A++; // 这不是原子操作！ } // 线程2 void* th2(void* arg) { A++; }

A++在汇编中至少需要3步：

读取A到寄存器
寄存器值加1
将结果写回A

如果th1执行了1、2步后切换到th2，就会发生数据一致性问题。

解决方案：使用互斥锁

使用步骤

定义互斥锁
初始化锁
加锁
解锁
销毁

示例代码

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <pthread.h> int A = 0 ; pthread_mutex_t mutex; void* th(void* arg) { // pthread_mutex_lock(&mutex); int i = 5000; while(i--) { pthread_mutex_lock(&mutex); int tmp = A; printf("A is %d\n",tmp+1); A = tmp+1; pthread_mutex_unlock(&mutex); } //pthread_mutex_unlock(&mutex); return NULL; } int main(int argc, char **argv) { pthread_t tid1,tid2; pthread_mutex_init(&mutex,NULL); pthread_create(&tid1,NULL,th,NULL); pthread_create(&tid2,NULL,th,NULL); pthread_join(tid1,NULL); pthread_join(tid2,NULL); pthread_mutex_destroy(&mutex); return 0; }

2. 同步（Synchronization）

概念

按照一定先后顺序对资源的排他性访问。

与互斥的关系

互斥包含同步，同步是互斥的一个特例
互斥：只关心资源是否被占用
同步：不仅关心资源，还关心访问顺序

3. 信号量（Semaphore）

与互斥锁的区别

加锁/解锁主体：
- 互斥锁：加锁和解锁必须是同一个线程
- 信号量：可以由不同线程交叉释放（th1释放th2，th2释放th1）
使用场景：
- 互斥锁：临界区代码要短小精悍，不要有休眠或耗时操作
- 信号量：可以有适当的休眠和小耗时操作

计数信号量

信号量初值可以大于1，用于多个资源的情况。

使用步骤

定义信号量
初始化信号量
PV操作
销毁信号量

示例代码：

#include <pthread.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <time.h> #include <unistd.h> #include <semaphore.h> sem_t sem_H,sem_W; void* th1(void* arg) { int i = 10; while(i--) { sem_wait(&sem_H);// sem_H -1 printf("hello "); fflush(stdout); sem_post(&sem_W);// sem_W +1 } return NULL; } void* th2(void* arg) { int i = 10; while(i--) { sem_wait(&sem_W); printf("world\n"); sleep(1); sem_post(&sem_H); } return NULL; } int main(int argc, char **argv) { pthread_t tid1,tid2; sem_init(&sem_H,0,1); sem_init(&sem_W,0,0); pthread_create(&tid1, NULL, th1,NULL); pthread_create(&tid2, NULL, th2,NULL); pthread_join(tid1,NULL); pthread_join(tid2,NULL); sem_destroy(&sem_H); sem_destroy(&sem_W); return 0; }

4. 死锁（Deadlock）

概念

由于锁资源安排不合理，导致进程/线程无法继续执行的现象。

产生死锁的四个必要条件

互斥条件：一个资源每次只能被一个进程使用
请求与保持条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放
不剥夺条件：进程已获得的资源，在未使用完之前，不能强行剥夺
循环等待条件：若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系

死锁示例

pthread_mutex_t mutexA = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; pthread_mutex_t mutexB = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; // 线程1 void* thread1(void* arg) { pthread_mutex_lock(&mutexA); // 获取锁A sleep(1); pthread_mutex_lock(&mutexB); // 尝试获取锁B → 死锁！ // ... pthread_mutex_unlock(&mutexB); pthread_mutex_unlock(&mutexA); return NULL; } // 线程2 void* thread2(void* arg) { pthread_mutex_lock(&mutexB); // 获取锁B sleep(1); pthread_mutex_lock(&mutexA); // 尝试获取锁A → 死锁！ // ... pthread_mutex_unlock(&mutexA); pthread_mutex_unlock(&mutexB); return NULL; }

5. 总结对比

特性	互斥锁（Mutex）	信号量（Semaphore）
用途	保护临界区，确保互斥访问	控制资源访问数量
资源数	通常保护单个资源	可以保护多个相同资源
加锁/解锁	必须由同一线程完成	可由不同线程完成
阻塞	锁被占用时线程阻塞	资源数为0时线程阻塞
计数	无计数功能	有计数功能
性能	轻量级，适用于短临界区	稍重，适用于较复杂同步