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做网站做系统,江阴做网站的,加强红色网站建设,广州网站开发平台一、互斥#xff1a;临界资源的排他性访问1. 核心概念互斥#xff0c;即对临界资源的排他性访问#xff0c;是多线程安全的基础。临界资源#xff1a;多线程环境下#xff0c;会被多个线程同时读写的资源#xff0c;比如全局变量、文件句柄、硬件设备等。这类资源的读写操…一、互斥临界资源的排他性访问1. 核心概念互斥即对临界资源的排他性访问是多线程安全的基础。临界资源多线程环境下会被多个线程同时读写的资源比如全局变量、文件句柄、硬件设备等。这类资源的读写操作不具备原子性直接并发访问会导致数据一致性问题。排他访问同一时刻只能有一个线程对临界资源进行读写操作其他线程必须等待直到当前线程释放资源。2. 为什么需要互斥以一个简单的A操作为例这个看似简单的语句在汇编层面至少会被拆解为 3 步从内存中读取变量A的值到寄存器将寄存器中的值加 1将寄存器的值写回内存中的A。在多线程并发时线程调度可能发生在任意步骤之间。比如线程th1执行完前两步后被切换线程th2接着执行完整的三步此时th1再切回继续执行第三步就会覆盖th2的修改最终导致数据错误。互斥机制的作用就是将这段非原子性的代码包裹为原子操作确保其在一次线程调度中完整执行。3. 互斥锁的使用步骤与核心 API在 Linux 多线程编程中互斥锁的核心数据结构是pthread_mutex_t使用流程遵循定义→初始化→加锁→解锁→销毁的五步原则每个步骤都对应明确的函数接口。1定义互斥锁#include pthread.h // 定义一个互斥锁变量全局变量保证所有线程可见 pthread_mutex_t g_mutex;2初始化互斥锁int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);功能初始化已定义的互斥锁。参数mutex指向要初始化的互斥锁变量的指针attr互斥锁属性传入NULL表示使用默认属性。返回值成功返回0失败返回非零错误码。3加锁操作int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);功能对临界区代码加锁加锁后的代码至解锁前的区域为原子操作不允许线程调度打断。关键特性如果互斥锁已被其他线程持有当前线程会阻塞等待直到锁被释放。参数mutex指向已初始化的互斥锁指针。返回值成功返回0失败返回非零错误码。4解锁操作int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);功能释放持有的互斥锁允许其他等待的线程获取锁并执行临界区代码。核心规则加锁和解锁必须由同一个线程执行不允许跨线程解锁。参数mutex指向已加锁的互斥锁指针。返回值成功返回0失败返回非零错误码。5销毁互斥锁int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);功能互斥锁使用完毕后释放其占用的系统资源。参数mutex指向要销毁的互斥锁指针。返回值成功返回0失败返回非零错误码。6互斥锁核心使用规范临界区代码要短小精悍加锁后的代码执行时间越长线程阻塞等待的时间就越久会严重降低程序的并发效率。临界区内禁止休眠 / 大耗时操作在临界区中调用sleep()、read()/write()大文件等耗时操作会导致锁被长时间持有其他线程无法执行完全丧失并发优势。7互斥锁完整代码示例#include stdio.h #include pthread.h #include unistd.h // 1. 定义互斥锁 pthread_mutex_t g_mutex; // 临界资源全局计数器 int g_counter 0; // 线程函数对计数器累加 void *thread_func(void *arg) { int thread_id *(int *)arg; for (int i 0; i 5; i) { // 3. 加锁pthread_mutex_lock int lock_ret pthread_mutex_lock(g_mutex); if (lock_ret ! 0) { printf(线程%d 加锁失败错误码%d\n, thread_id, lock_ret); continue; } // 临界区原子操作保证同一时刻只有一个线程执行 // 遵循“短小精悍”原则仅保留核心的临界资源操作 g_counter; printf(线程%d 累加后g_counter %d\n, thread_id, g_counter); // 注意此处若加sleep(1)会导致另一个线程长时间阻塞违背互斥锁使用规范 // 4. 解锁必须由当前加锁线程执行 int unlock_ret pthread_mutex_unlock(g_mutex); if (unlock_ret ! 0) { printf(线程%d 解锁失败错误码%d\n, thread_id, unlock_ret); } sleep(1); // 非临界区可执行耗时操作 } return NULL; } int main() { pthread_t th1, th2; int id1 1, id2 2; // 2. 初始化互斥锁默认属性 int init_ret pthread_mutex_init(g_mutex, NULL); if (init_ret ! 0) { printf(互斥锁初始化失败错误码%d\n, init_ret); return -1; } // 创建两个线程 pthread_create(th1, NULL, thread_func, id1); pthread_create(th2, NULL, thread_func, id2); // 等待线程结束 pthread_join(th1, NULL); pthread_join(th2, NULL); // 5. 销毁互斥锁 int destroy_ret pthread_mutex_destroy(g_mutex); if (destroy_ret ! 0) { printf(互斥锁销毁失败错误码%d\n, destroy_ret); return -1; } printf(最终计数器值%d\n, g_counter); return 0; }8运行结果说明两个线程会交替对g_counter进行累加最终结果稳定为10不会出现数据不一致问题。如果去掉互斥锁最终结果会小于10且每次运行结果都不相同。二、同步线程的有序化执行1. 核心概念同步是有先后顺序的排他性资源访问它要求线程按照预定的逻辑顺序执行本质上是互斥的一个特例。比如生产消费模型中必须保证生产者线程生产出数据后消费者线程才能读取数据这就是典型的同步场景。2. 同步与互斥的核心区别特性互斥锁信号量同步核心目标排他性访问临界资源按顺序访问临界资源锁 / 资源释放方加锁线程自己释放由其他线程交叉释放th1 释放 th2th2 释放 th1临界区限制禁止休眠、大耗时操作允许短时间休眠、小耗时操作资源数量仅支持单一资源支持多资源计数信号量3. 信号量实现同步的核心工具在 Linux 中同步机制的实现通常依赖信号量其核心数据结构是sem_t使用流程为定义→初始化→PV 操作→销毁。1定义信号量#include semaphore.h // 定义一个信号量变量 sem_t g_sem;2初始化信号量int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);功能初始化信号量设置其共享属性和初始值。参数sem指向要初始化的信号量变量的指针pshared共享属性0表示线程间使用非0表示进程间使用value信号量初始值0表示无资源线程阻塞1表示单资源二值信号量大于1表示多资源计数信号量。返回值成功返回0失败返回-1。3信号量的 PV 操作信号量的核心操作是P 操作申请资源和V 操作释放资源这两个操作都是原子操作对应两个核心函数。P 操作申请资源sem_waitint sem_wait(sem_t *sem);功能尝试申请信号量资源执行sem sem - 1。若操作后sem 0线程继续执行若操作后sem 0线程阻塞等待直到有其他线程释放资源。参数sem指向已初始化的信号量指针。返回值成功返回0失败返回-1。V 操作释放资源sem_postint sem_post(sem_t *sem);功能释放信号量资源执行sem sem 1。核心规则由目标线程的 “依赖线程” 交叉释放如消费者释放生产者、生产者释放消费者。关键特性线程执行该函数时不会阻塞释放后会唤醒等待该信号量的线程。参数sem指向已初始化的信号量指针。返回值成功返回0失败返回-1。4销毁信号量int sem_destroy(sem_t *sem);功能释放信号量占用的系统资源。参数sem指向要销毁的信号量指针。返回值成功返回0失败返回-1。5计数信号量的特殊用法信号量初值可设置为大于 1 的数值如 3、5适用于多资源互斥场景资源数本身不唯一。例如初始化信号量sem_init(sem, 0, 3)表示同时允许 3 个线程访问临界资源每个线程执行sem_wait()申请资源sem_post()释放资源当第 4 个线程执行sem_wait()时会阻塞等待前 3 个线程中任意一个释放资源。6信号量核心使用规范允许短时间休眠 / 小耗时操作信号量的核心目标是保证线程执行顺序而非极致的并发效率因此临界区中可执行sleep(1)等短耗时操作交叉释放规则同步场景下信号量的 PV 操作需由不同线程交叉执行如生产者 V 操作释放消费者消费者 V 操作释放生产者。7信号量完整代码示例生产消费模型#include stdio.h #include pthread.h #include semaphore.h #include unistd.h // 定义信号量控制生产消费顺序 sem_t g_sem_producer; // 生产者信号量 sem_t g_sem_consumer; // 消费者信号量 // 临界资源产品缓冲区 int g_product 0; // 生产者线程函数 void *producer_func(void *arg) { for (int i 0; i 5; i) { // P操作申请生产者资源初始值为1可直接执行 sem_wait(g_sem_producer); // 生产产品允许短耗时操作 g_product i 1; printf(生产者生产产品%d\n, g_product); sleep(1); // 模拟生产耗时信号量场景下允许 // V操作释放消费者资源交叉释放让消费者可以消费 sem_post(g_sem_consumer); } return NULL; } // 消费者线程函数 void *consumer_func(void *arg) { for (int i 0; i 5; i) { // P操作申请消费者资源初始值为0阻塞等待生产者释放 sem_wait(g_sem_consumer); // 消费产品允许短耗时操作 printf(消费者消费产品%d\n, g_product); sleep(1); // 模拟消费耗时信号量场景下允许 // V操作释放生产者资源交叉释放让生产者可以继续生产 sem_post(g_sem_producer); } return NULL; } int main() { pthread_t th_producer, th_consumer; // 初始化信号量 // 生产者信号量初始值1允许先生产 sem_init(g_sem_producer, 0, 1); // 消费者信号量初始值0必须等生产后才能消费 sem_init(g_sem_consumer, 0, 0); // 创建线程 pthread_create(th_producer, NULL, producer_func, NULL); pthread_create(th_consumer, NULL, consumer_func, NULL); // 等待线程结束 pthread_join(th_producer, NULL); pthread_join(th_consumer, NULL); // 销毁信号量 sem_destroy(g_sem_producer); sem_destroy(g_sem_consumer); return 0; }8计数信号量示例多资源访问#include stdio.h #include pthread.h #include semaphore.h #include unistd.h // 定义计数信号量初始值3允许3个线程同时访问 sem_t g_count_sem; // 临界资源资源使用计数 int g_res_used 0; void *thread_func(void *arg) { int thread_id *(int *)arg; // P操作申请资源 sem_wait(g_count_sem); g_res_used; printf(线程%d 占用资源当前使用数%d\n, thread_id, g_res_used); sleep(2); // 模拟小耗时操作 // 释放资源 g_res_used--; printf(线程%d 释放资源当前使用数%d\n, thread_id, g_res_used); // V操作释放资源 sem_post(g_count_sem); return NULL; } int main() { pthread_t th[5]; int ids[5] {1,2,3,4,5}; // 初始化计数信号量允许3个线程同时访问 sem_init(g_count_sem, 0, 3); // 创建5个线程 for (int i 0; i 5; i) { pthread_create(th[i], NULL, thread_func, ids[i]); } // 等待所有线程结束 for (int i 0; i 5; i) { pthread_join(th[i], NULL); } sem_destroy(g_count_sem); return 0; }9运行结果说明生产消费模型严格按照生产→消费→生产→消费的顺序执行计数信号量模型同一时刻最多有 3 个线程占用资源第 4、5 个线程会阻塞直到前 3 个线程释放资源。三、死锁多线程编程的 “隐形陷阱”1. 死锁的概念死锁是指由于锁资源的申请和释放逻辑不合理导致多个线程互相等待对方持有的锁最终所有线程都无法继续执行的现象。比如线程 A 持有锁 1等待锁 2线程 B 持有锁 2等待锁 1此时两个线程会永远阻塞程序陷入停滞。2. 死锁产生的四个必要条件死锁的发生必须同时满足以下四个条件只要破坏其中任意一个就能避免死锁。互斥条件一个资源每次只能被一个线程使用。请求与保持条件一个线程因请求资源而阻塞时对已获得的资源保持不放。不剥夺条件线程已获得的资源在未使用完毕前不能被强行剥夺。循环等待条件若干线程之间形成头尾相接的循环等待资源关系。3. 死锁的规避思路按固定顺序申请锁所有线程都按照相同的顺序获取多个锁避免循环等待。比如线程 A 和线程 B 都先获取锁 1再获取锁 2。锁的申请时限使用pthread_mutex_trylock()尝试加锁设置超时时间超时后放弃申请并释放已持有的锁。减少锁的嵌套尽量避免一个临界区内部再申请其他锁降低锁依赖的复杂度。资源一次性申请在线程执行初期一次性申请所有需要的锁避免中途申请新锁。四、总结在 Linux 多线程编程中互斥锁解决了临界资源的排他性访问问题保证了数据一致性核心规则是 “加解锁同线程、临界区短小精悍”信号量在此基础上实现了线程的有序执行核心规则是 “交叉释放资源、允许短耗时操作”计数信号量还可适配多资源互斥场景。而死锁作为多线程编程的常见问题需要我们通过规范锁的使用逻辑来规避。