Linux应用线程同步之互斥锁

1、概念

1.1 定义

互斥锁（Mutex），又称互斥型信号量，是一种特殊的二值性信号量，主要用于实现对共享资源的独占式处理。任意时刻，互斥锁的状态只有两种：开锁或闭锁。当有任务持有时，互斥锁处于闭锁状态，这个任务获得该互斥锁的所有权；当该任务释放它时，互斥锁被开锁，任务失去所有权。在一个任务持有互斥锁时，其他任务将不能再对该互斥锁进行开锁或持有。

1.2 应用场景

保护共享资源：最常见的应用场景是保护共享资源，确保多个线程不会同时访问共享资源而导致数据竞争和不一致性。
临界区保护：在多线程环境下，需要保护临界区（一段代码或数据结构）不被多个线程同时访问，互斥锁可以用来实现临界区的保护。
线程同步：互斥锁也可以用于线程之间的同步，确保线程按照一定的顺序访问共享资源，避免竞争条件和死锁。

2、常用接口

2.1 pthread_mutex_init

初始化互斥锁对象。

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

入参：
- mutex：指向互斥锁对象的指针。
- attr：指向互斥锁属性对象的指针，通常传入NULL。
返回值：若成功，返回0；否则返回错误码。

2.2 pthread_mutex_lock

加锁，尝试获取互斥锁。

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

入参：
- mutex：指向互斥锁对象的指针。
返回值：若成功，返回0；否则返回错误码。

2.3 pthread_mutex_unlock

解锁，释放互斥锁。

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

入参：
- mutex：指向互斥锁对象的指针。
返回值：若成功，返回0；否则返回错误码。

2.4 pthread_mutex_destroy

销毁互斥锁对象。

入参：
- mutex：指向互斥锁对象的指针。
返回值：若成功，返回0；否则返回错误码。

3、编程测试

示例中，定义了一个全局共享变量shared_resource，两个线程都会对这个变量进行增加操作。我们使用pthread_mutex_t类型的变量mutex作为互斥锁。在thread_function函数中，线程首先使用pthread_mutex_lock函数获取互斥锁，然后执行对共享资源的访问操作，最后使用pthread_mutex_unlock函数释放互斥锁。这样，当一个线程持有锁时，其他线程将无法获取锁，从而确保了同一时间只有一个线程能够访问共享资源。

在main函数中，我们首先使用pthread_mutex_init函数初始化互斥锁，然后创建两个线程。我们使用pthread_create函数创建线程，并将thread_function作为线程函数。接着，我们使用pthread_join函数等待线程结束。最后，我们使用pthread_mutex_destroy函数销毁互斥锁，并输出共享资源的最终值。

当不使用互斥锁的时候代码如下：

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <pthread.h>  // 全局共享变量  
int shared_resource = 0;  // 互斥锁  
pthread_mutex_t mutex;  // 线程函数  
void* thread_function(void* arg) 
{  // 锁定互斥锁  // pthread_mutex_lock(&mutex);  // 访问共享资源  for (int i = 0; i < 100000; i++) {  shared_resource++;  }  // 解锁互斥锁  // pthread_mutex_unlock(&mutex);  return NULL;  
}  int main() {  // 初始化互斥锁  if (pthread_mutex_init(&mutex, NULL) != 0) {  printf("Mutex initialization failed\n");  return 1;  }  // 创建两个线程  pthread_t thread1, thread2;  if (pthread_create(&thread1, NULL, thread_function, NULL) != 0) {  printf("Thread 1 creation failed\n");  return 1;  }  if (pthread_create(&thread2, NULL, thread_function, NULL) != 0) {  printf("Thread 2 creation failed\n");  return 1;  }  // 等待线程结束  pthread_join(thread1, NULL);  pthread_join(thread2, NULL);  // 销毁互斥锁  pthread_mutex_destroy(&mutex);  // 输出共享资源的最终值  printf("Shared resource value: %d\n", shared_resource);  return 0;  
}

测试发现两个线程访问同一个变量造成结果不可控：

放开代码中关于互斥锁的注释，测试代码如下：

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <pthread.h>  // 全局共享变量  
int shared_resource = 0;  // 互斥锁  
pthread_mutex_t mutex;  // 线程函数  
void* thread_function(void* arg) 
{  // 锁定互斥锁  pthread_mutex_lock(&mutex);  // 访问共享资源  for (int i = 0; i < 100000; i++) {  shared_resource++;  }  // 解锁互斥锁  pthread_mutex_unlock(&mutex);  return NULL;  
}  int main() {  // 初始化互斥锁  if (pthread_mutex_init(&mutex, NULL) != 0) {  printf("Mutex initialization failed\n");  return 1;  }  // 创建两个线程  pthread_t thread1, thread2;  if (pthread_create(&thread1, NULL, thread_function, NULL) != 0) {  printf("Thread 1 creation failed\n");  return 1;  }  if (pthread_create(&thread2, NULL, thread_function, NULL) != 0) {  printf("Thread 2 creation failed\n");  return 1;  }  // 等待线程结束  pthread_join(thread1, NULL);  pthread_join(thread2, NULL);  // 销毁互斥锁  pthread_mutex_destroy(&mutex);  // 输出共享资源的最终值  printf("Shared resource value: %d\n", shared_resource);  return 0;  
}

测试结果如下，实现对变量的保护：