使用互斥锁保护临界

发布于:2025-05-10 ⋅ 阅读:(13) ⋅ 点赞:(0)

Linux线程互斥及相关概念解析

1. 临界资源(Critical Resource)
  • 定义:被多个线程共享的资源(如变量、文件、内存区域等),需通过互斥访问确保数据一致性。
  • 特点
    • 共享性:多个线程可能同时访问。
    • 排他性:必须保证某一时刻仅一个线程操作该资源。
  • 示例:全局变量、共享内存、数据库连接池。
2. 临界区(Critical Section)
  • 定义:操作临界资源的代码段,必须通过同步机制保证互斥执行。
  • 特点
    • 同一时间仅允许一个线程进入临界区。
    • 需通过锁(如互斥锁)保护。
  • 示例
    pthread_mutex_lock(&lock); // 进入临界区前加锁
    counter++;                 // 临界区代码(操作共享变量)
    pthread_mutex_unlock(&lock); // 离开临界区后解锁
    
3. 同步与互斥
  • 互斥(Mutual Exclusion)
    • 确保同一时间仅一个线程访问临界资源。
    • 实现方式:互斥锁(Mutex)、信号量(Semaphore)。
  • 同步(Synchronization)
    • 协调线程的执行顺序(如线程A等待线程B完成操作)。
    • 实现方式:条件变量(Condition Variables)、信号量。
  • 区别
    • 互斥是同步的一种特例,解决资源竞争问题。
    • 同步更关注线程间的协作逻辑(如生产者-消费者模型)。
4. 原子性(Atomicity)
  • 定义:操作不可中断,要么完全执行,要么完全不执行。
  • 重要性:非原子操作(如 i++)可能导致竞态条件。
  • 实现方式
    • 硬件支持:原子指令(如x86的 LOCK 前缀指令)。
    • 软件模拟:通过锁机制将非原子操作“包装”为原子操作。
  • 示例
    // 非原子操作(实际包含读-改-写三步)
    int i = 0;
    i++; 
    
    // 原子操作(使用GCC内置函数)
    __atomic_fetch_add(&i, 1, __ATOMIC_SEQ_CST);
    
5. 竞态条件(Race Condition)
  • 定义:多个线程对共享资源的操作顺序不确定,导致结果不可预测。
  • 成因:缺乏同步机制时,线程执行交叉导致逻辑错误。
  • 示例
    // 线程A和线程B同时执行以下代码:
    if (counter == 5) {
        counter++; // 若counter初始为5,两线程可能同时进入,最终counter=6而非7
    }
    
  • 解决方案:通过互斥锁或原子操作消除竞态条件。

关键机制对比

机制 作用 示例
互斥锁 保护临界区,确保互斥访问 pthread_mutex_lock/unlock
条件变量 实现线程间同步,等待特定条件成立 pthread_cond_wait/signal
原子操作 直接保证单操作的原子性,无需锁 __atomic_add_fetch(GCC扩展)
信号量 控制同时访问资源的线程数量(广义互斥) sem_wait/post

代码示例分析

未保护临界区的竞态条件:
#include <pthread.h>
int counter = 0;

void *thread_func(void *arg) {
    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
        counter++; // 非原子操作,多线程并发导致结果错误
    }
    return NULL;
}

// 创建两个线程后,counter最终值可能远小于200000。
使用互斥锁保护临界区:
#include <pthread.h>
int counter = 0;
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void *thread_func(void *arg) {
    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
        pthread_mutex_lock(&lock);
        counter++; // 受保护的临界区
        pthread_mutex_unlock(&lock);
    }
    return NULL;
}

// 最终counter值为200000,正确同步。
使用原子操作替代锁:
#include <stdatomic.h>
atomic_int counter = 0;

void *thread_func(void *arg) {
    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
        atomic_fetch_add(&counter, 1); // 原子操作,无需锁
    }
    return NULL;
}

总结

  • 临界资源:需互斥访问的共享资源。
  • 临界区:操作临界资源的代码段,需加锁保护。
  • 同步互斥:互斥解决资源竞争,同步解决执行顺序。
  • 原子性:确保操作不可分割,避免中间状态暴露。
  • 竞态条件:因线程执行顺序不确定导致的结果错误,需通过同步机制消除。

正确使用互斥锁、原子操作和同步机制,是编写线程安全程序的关键。


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