Linux学习日记19：线程同步与互斥锁

一、前言

前面我们了解了线程的基础知识，而在多线程编程中，线程同步是核心技术，用于解决多线程并发访问共享资源时的竞态条件，保证数据一致性和线程执行顺序的可控性；互斥锁就是线程同步的其中一种机制。

二、线程同步

2.1、线程同步的定义

在一般情况下，创建一个线程是不能提高程序的执行效率的，所以要创建多个线程。但是多个线程同时运行的时候可能调用线程函数，在多个线程同时对同一个内存地址进行写入，由于CPU时间调度上的问题，写入数据会被多次的覆盖，所以就要使线程同步。

线程共享进程的地址空间（全局变量、堆、文件描述符等），当多个线程同时读写「临界资源」（如全局变量、硬件设备、网络连接）时，会导致数据错乱。

同步的目标：1、保护临界资源，同一时间只有一个线程访问；2、协调线程执行顺序（如生产者生产完数据后，消费者再消费）。

补：临界区：访问临界资源的代码段（需被同步机制保护）；竞态条件：多线程并发执行临界区代码，导致结果依赖于线程执行顺序的不可控问题；同步机制：通过内核 / 库提供的接口，限制临界区的并发访问、协调线程执行时机。

2.2、同步的目标

1、原子性：保证临界区代码 “要么全执行，要么全不执行”，不可中断；

2、可见性：一个线程修改的共享变量，其他线程能立即看到；

3、有序性：保证线程按预期的顺序执行（如生产者先生产，消费者后消费）。

2.3、典型示例

首先创建一个pthread_tb.c文件，然后输入以下代码：

#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <unistd.h> int number;//共享全局变量 void *myfun1(void *arg) { for(int i=0;i<10000;i++) { int ret; ret = number; ret++; number = ret; printf("fun1 is %ld,number is %d\n",pthread_self(),number); usleep(10);//微秒级睡眠 } } void *myfun2(void *arg) { for(int i=0;i<10000;i++) { int ret; ret = number; ret++; number = ret; printf("fun2 is %ld,number is %d\n",pthread_self(),number); usleep(10); } } int main() { pthread_t pthid1; pthread_t pthid2; pthread_create(&pthid1,NULL,myfun1,NULL);//线程创建 pthread_create(&pthid2,NULL,myfun2,NULL); pthread_join(pthid1,NULL);//线程等待 pthread_join(pthid2,NULL); return 0; }

编译并运行，结果如下：

看到这里可能会有疑问，理论上运行完后number会运行到20000，那为什么最终只有19803呢？

因为理论结果前提是20000 次自增都能被正确累加，但你这段代码里的“自增”并不是一条不可分割的操作，而是读+加+写三步，两个线程一旦交叉执行，就会发生丢失更新，导致很多次“+1”被白白覆盖掉，假设某一刻number=19780，线程1执行到ret = number；读到ret = 19780（但还没写回），发生线程切换，线程也执行到：ret = number，也读到ret=19780，线程2，ret++；number=ret，写回number =19781（这次+1生效），再切回线程1，线程1：ret++;number=ret;也写回 number=19781（把线程2的结果“覆盖成同一个值”）；这两次自增，本该让 number 变成19782，结果只变成19781——少加了 1。这种“两个线程读到同一个旧值，然后分别写回同一个新值”的情况在你循环 20000 次里会发生很多很多次，于是最终就会出现19803 < 20000。以上例子就是典型的反面案例。

三、互斥锁

3.1、互斥锁的定义

互斥锁是 Linux 多线程同步中最基础、最常用的核心机制，其核心目标是保证同一时间只有一个线程能进入 “临界区”（访问共享资源的代码段），从而解决 “竞态条件”，保证共享资源的原子性、可见性和有序性。

互斥锁本质是一个“二值锁”，状态只有未锁定与已锁定。通过 “加锁 - 访问临界区 - 解锁” 的闭环，强制临界区代码原子执行（要么全执行，要么全不执行，不可被线程切换中断）。

3.2、Linux互斥锁的底层实现

1、用户态尝试加锁：线程加锁时，先通过原子操作尝试获取锁（修改锁的状态）；

2、成功则直接执行：若锁未被持有，加锁成功，直接进入临界区；

3、失败则内核态挂起：若锁已被持有，线程进入内核态的 “等待队列” 挂起（放弃 CPU），避免无意义的自旋；

4、解锁时唤醒线程：持有锁的线程解锁时，若等待队列有线程，内核会唤醒其中一个线程重新尝试加锁。

补：原子操作是指一个操作在执行过程中不可被中断、不可被其他线程打断，从而保证对共享数据的修改要么完整发生、要么完全不发生。

3.3、互斥锁的相关函数

1、静态初始化互斥锁

函数原型如下：

#include <pthread.h> // 静态初始化全局互斥锁 pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

注：静态初始化的互斥锁无需手动销毁；同一互斥锁不能重复初始化（已初始化的锁再次调用 pthread_mutex_init 会导致未定义行为）。

2、动态初始化互斥锁

函数原型如下：

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

参数：mutex：指向要初始化的互斥锁对象（不能为 NULL）；

attr：互斥锁属性（NULL 表示使用默认属性）；

返回值：成功：返回0；失败：非0错误码。

3、阻塞加锁

函数原型如下：

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

参数：mutex：指向已初始化的互斥锁对象。

返回值：成功：0（获取到锁）；失败：非0错误码。

功能：若锁未被持有，当前线程立即获取锁，锁状态变为已锁定；若锁已被持有，当前线程放弃 CPU 使用权，进入内核态等待队列，直到锁被释放。

4、非阻塞加锁

函数原型如下：

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

参数：mutex：指向已初始化的互斥锁对象。

返回值：成功：0 （获取到锁）；失败：EBUSY（锁已被持有），EINVAL（锁未初始化）等。

功能：若锁未被持有，立即获取并返回 0；若锁已被持有，不阻塞，直接返回EBUSY错误，线程可执行其他逻辑。

适用场景：不想让线程阻塞等待锁的场景。

5、解锁

函数原型如下：

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

参数：mutex：指向已初始化的互斥锁对象。

返回值：成功：0；失败：非 0 错误码。

功能：释放当前线程持有的锁

注：只有持有锁的线程能解锁，解锁未加锁的锁会触发错误。

6、销毁互斥锁

函数原型如下：

int pthread_mutexattr_destroy(pthread_mutexattr_t *attr);

功能：销毁属性对象，释放其占用的资源（必须与pthread_mutex_init 配对使用）。

3.4、典型示例

接上一个线程同步的反面案例，通过互斥锁的形式来实现线程的同步，具体代码如下所示：

#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <unistd.h> int number; pthread_mutex_t mutex; void *myfun1(void *arg) { for(int i=0;i<10000;i++) { //lock pthread_mutex_lock(&mutex); int ret; ret = number; ret++; number = ret; printf("fun1 is %ld,number is %d\n",pthread_self(),number); //ulock pthread_mutex_unlock(&mutex); usleep(10); } } void *myfun2(void *arg) { for(int i=0;i<10000;i++) { //lock pthread_mutex_lock(&mutex); int ret; ret = number; ret++; number = ret; printf("fun2 is %ld,number is %d\n",pthread_self(),number); //ulock pthread_mutex_unlock(&mutex); usleep(10); } } int main() { //init mutex pthread_mutex_init(&mutex,NULL); pthread_t pthid1; pthread_t pthid2; pthread_create(&pthid1,NULL,myfun1,NULL); pthread_create(&pthid2,NULL,myfun2,NULL); pthread_join(pthid1,NULL); pthread_join(pthid2,NULL); //kill mutex pthread_mutex_destroy(&mutex); return 0; }

编译并运行，结果如下：

可以看到通过互斥锁来实现了线程的同步，避免了线程之间的竞争关系。