1. 线程同步与互斥的概念
在并发编程中，多个线程可能同时访问共享的数据或资源。线程同步和互斥是为了保证线程之间正确共享数据而必须考虑的问题。
线程同步是指多个线程按照一定的顺序执行，以避免相互之间的冲突，确保数据的一致性。
线程互斥是指多个线程不能同时进入临界区，以避免对共享数据的并发访问造成冲突。
2. 临界区与互斥量
2.1 临界区
临界区是指一段需要互斥访问的代码区域，这段代码区域不能同时被多个线程执行。在进入临界区之前，线程需要获取一个互斥量，然后在退出临界区之前释放互斥量。
2.2 互斥量
互斥量是一种用于实现线程互斥的机制。它包括一个互斥锁和一个计数器。线程在进入临界区之前，首先尝试获取互斥锁，如果互斥锁已经被其他线程占用，线程将阻塞等待；当线程退出临界区时，释放互斥锁，供其他线程使用。
3. 线程同步与互斥的方法
3.1 互斥量
互斥量是一种最常用的线程同步与互斥机制。通过对互斥量的加锁和解锁操作，可以保证临界区只能被一个线程执行。互斥量在Linux系统中的使用如下：
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mutex; // 互斥量声明
void* thread_function(void* arg) {
pthread_mutex_lock(&mutex); // 加锁
// 临界区
pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁
return NULL;
}
int main() {
pthread_mutex_init(&mutex, NULL); // 初始化互斥量
// 创建和启动线程
pthread_mutex_destroy(&mutex); // 销毁互斥量
return 0;
}
3.2 条件变量
条件变量是一种线程同步与通信机制，它通过线程的等待和通知来控制线程的执行。条件变量在Linux系统中的使用如下：
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mutex; // 互斥量声明
pthread_cond_t cond; // 条件变量声明
void* thread_function(void* arg) {
pthread_mutex_lock(&mutex); // 加锁
// 等待条件变量
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
// 执行条件满足后的操作
pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁
return NULL;
}
int main() {
pthread_mutex_init(&mutex, NULL); // 初始化互斥量
pthread_cond_init(&cond, NULL); // 初始化条件变量
// 创建和启动线程
// 发送条件变量的通知
pthread_cond_signal(&cond);
pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁
pthread_mutex_destroy(&mutex); // 销毁互斥量
pthread_cond_destroy(&cond); // 销毁条件变量
return 0;
}
在线程函数中，通过调用pthread_cond_wait函数等待条件变量，该函数会先解锁互斥量，然后将线程置于等待状态。当其他线程调用pthread_cond_signal函数发送条件变量的通知后，线程会被唤醒并重新获取互斥量，并执行条件满足后的操作。
4. 死锁与避免
死锁是指两个或多个线程相互等待对方释放已经持有的资源而无法继续执行的情况。常见的死锁情况有：互斥锁嵌套、循环等待、资源竞争等。
为了避免死锁的发生，可以采取以下几个策略：
避免互斥锁的嵌套。
按固定的顺序获取多个互斥锁，以避免循环等待。
尽量减少资源竞争的情况，或者使用更细粒度的资源锁。
设置超时机制，当超过一定时间仍无法获取互斥锁时，放弃当前操作。
5. 总结
线程同步与互斥是多线程编程中非常重要的概念。通过合理使用互斥量和条件变量，可以保证线程之间正确共享数据，并避免冲突。同时需要注意避免死锁的情况，并进行合理的线程调度和资源管理。解决并发编程中的线程同步和互斥问题是非常重要的技能，能够有效提高程序的并发处理能力。在 Linux 系统中，使用互斥锁和条件变量是常见的方法。
1. 互斥锁
互斥锁是一种用于实现线程互斥的机制。它包括一个锁和一个计数器。在这个计数器中，值为0表示锁未被任何线程占用，值为1表示锁已被一个线程占用。线程在进入临界区之前首先要尝试获取互斥锁，如果互斥锁已经被其他线程占用，线程将阻塞等待；当线程结束临界区时，释放互斥锁，供其他线程使用。
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mutex; // 互斥锁声明
void* thread_function(void* arg) {
pthread_mutex_lock(&mutex); // 加锁
// 临界区
pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁
return NULL;
}
int main() {
pthread_mutex_init(&mutex, NULL); // 初始化互斥锁
// 创建和启动线程
pthread_mutex_destroy(&mutex); // 销毁互斥锁
return 0;
}
2. 条件变量
条件变量是一种线程同步和通信的机制，它通过线程的等待和通知来控制线程的执行。条件变量通常与互斥锁配合使用。线程在进入临界区之前，首先要尝试获取互斥锁，成功获取互斥锁后判断条件是否满足，如果条件不满足，线程将阻塞等待；当条件满足后，线程被唤醒，重新获取互斥锁，并执行相应的操作。
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mutex; // 互斥锁声明
pthread_cond_t cond; // 条件变量声明
void* thread_function(void* arg) {
pthread_mutex_lock(&mutex); // 加锁
// 等待条件变量
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
// 执行条件满足后的操作
pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁
return NULL;
}
int main() {
pthread_mutex_init(&mutex, NULL); // 初始化互斥锁
pthread_cond_init(&cond, NULL); // 初始化条件变量
// 创建和启动线程
// 发送条件变量的通知
pthread_cond_signal(&cond);
pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁
pthread_mutex_destroy(&mutex); // 销毁互斥锁
pthread_cond_destroy(&cond); // 销毁条件变量
return 0;
}
3. 死锁与避免
死锁是多个线程相互等待对方释放已经持有的资源，从而导致所有线程无法继续执行的情况。常见的死锁情况有互斥锁嵌套、循环等待、资源竞争等。
为了避免死锁的发生，可以采取以下几个策略：
避免互斥锁的嵌套。
按固定的顺序获取多个互斥锁，以避免循环等待。
尽量减少资源竞争的情况，或者使用更细粒度的资源锁。
设置超时机制，当超过一定时间仍无法获取互斥锁时，放弃当前操作。
4. 总结
线程同步与互斥是多线程编程中非常重要的概念。通过合理使用互斥锁和条件变量，可以保证线程之间正确共享数据，并避免冲突。同时需要注意避免死锁的情况，并进行合理的线程调度和资源管理。