一、为什么要线程同步
在Linux 多线程编程中，线程同步是一个非常重要的问题。如果线程之间没有正确地同步，就会导致程序出现一些意外的问题，例如：
- 竞态条件（Race Condition）：多个线程同时修改同一个共享变量，可能会导致不可预测的结果，因为线程的执行顺序是不确定的。
- 死锁（Deadlock）：当两个或多个线程互相等待对方释放资源时，可能会导致死锁，这会导致程序无法继续执行。
- 活锁（Livelock）：当多个线程相互响应对方的动作，而没有任何进展时，可能会导致活锁，这也会导致程序无法继续执行。
- 两个人在走路时需要相互让路，两个人都想让对方先通过，但最终还是没有人通过，这就是一种活锁情况
接下来将介绍互斥锁、条件变量、信号量、读写锁这几种线程同步方法，并使用C语言代码示例说明其使用方法。
二、互斥锁
互斥锁是一种用于线程同步的锁，用于保护共享资源。只有拥有该锁的线程才能访问共享资源，其他线程需要等待锁被释放后才能继续执行。
在Linux环境下，我们可以使用pthread库提供的互斥锁函数来实现互斥锁机制。以下是一些常用的互斥锁函数：
| 函数名 | 描述 |
|---|---|
pthread_mutex_init |
初始化互斥锁 |
pthread_mutex_lock |
加锁互斥锁 |
pthread_mutex_trylock |
尝试加锁互斥锁 |
pthread_mutex_unlock |
解锁互斥锁 |
pthread_mutex_destroy |
销毁互斥锁 |
初始化互斥锁
在使用互斥锁之前，需要先初始化互斥锁。pthread_mutex_init函数用于初始化一个互斥锁。函数原型如下：
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);
其中，mutex参数是一个指向pthread_mutex_t结构体的指针，用于指定要初始化的互斥锁；attr参数是一个指向pthread_mutexattr_t结构体的指针，用于指定互斥锁的属性，通常设置为NULL。
以下是一个初始化互斥锁的例子：
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mutex;
int main()
{
// 初始化互斥锁
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
// ...
// 销毁互斥锁
pthread_mutex_destroy(&mutex);
return 0;
}
加锁互斥锁
加锁互斥锁用于保证同一时刻只有一个线程能够访问共享资源。pthread_mutex_lock函数用于加锁一个互斥锁。函数原型如下：
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
其中，mutex参数是一个指向pthread_mutex_t结构体的指针，用于指定要加锁的互斥锁。
以下是一个加锁互斥锁的例子：
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mutex;
void* thread_func(void* arg)
{
// 加锁互斥锁
pthread_mutex_lock(&mutex);
// 访问共享资源
// ...
// 解锁互斥锁
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return NULL;
}
int main()
{
// 初始化互斥锁
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
// 创建线程
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
// ...
// 等待线程结束
pthread_join(tid, NULL);
// 销毁互斥锁
pthread_mutex_destroy(&mutex);
return 0;
}
尝试加锁互斥锁
尝试加锁互斥锁与加锁互斥锁的主要区别在于，如果互斥锁已经被其他线程锁定了，尝试加锁互斥锁将不会阻塞当前线程，而是会立即返回一个错误代码。函数原型如下：
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
其中，mutex参数是一个指向pthread_mutex_t结构体的指针，用于指定要尝试加锁的互斥锁。
以下是一个尝试加锁互斥锁的例子：
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mutex;
void* thread_func(void* arg)
{
// 尝试加锁互斥锁
int ret = pthread_mutex_trylock(&mutex);
if (ret == 0) {
// 访问共享资源
// ...
// 解锁互斥锁
pthread_mutex_unlock(&mutex);
} else {
// 互斥锁已经被其他线程锁定了
// ...
}
return NULL;
}
int main()
{
// 初始化互斥锁
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
// 创建线程
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
// ...
// 等待线程结束
pthread_join(tid, NULL);
// 销毁互斥锁
pthread_mutex_destroy(&mutex);
return 0;
}
解锁互斥锁
解锁互斥锁用于释放已经锁定的互斥锁。pthread_mutex_unlock函数用于解锁一个互斥锁。函数原型如下：
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
其中，mutex参数是一个指向pthread_mutex_t结构体的指针，用于指定要解锁的互斥锁。
以下是一个解锁互斥锁的例子：
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mutex;
void* thread_func(void* arg)
{
// 加锁互斥锁
pthread_mutex_lock(&mutex);
// 访问共享资源
//
// 解锁互斥锁
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return NULL;
}
销毁互斥锁
在不再需要使用互斥锁时，需要将互斥锁销毁。pthread_mutex_destroy函数用于销毁一个互斥锁。函数原型如下：
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
其中，mutex参数是一个指向pthread_mutex_t结构体的指针，用于指定要销毁的互斥锁。
以下是一个销毁互斥锁的例子：
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mutex;
int main()
{
// 初始化互斥锁
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
// ...
// 销毁互斥锁
pthread_mutex_destroy(&mutex);
return 0;
}
示例程序
下面是一个简单的示例程序，演示了如何使用互斥锁来同步两个线程的访问。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mutex;
int shared_data = 0;
void *thread_func(void *arg)
{
int i;
for (i = 0; i < 1000000; i++) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
shared_data++;
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
return NULL;
}
int main()
{
pthread_t thread1, thread2;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
pthread_create(&thread1, NULL, thread_func, NULL);
pthread_create(&thread2, NULL, thread_func, NULL);
pthread_join(thread1, NULL);
pthread_join(thread2, NULL);
pthread_mutex_destroy(&mutex);
printf("Shared data: %d\n", shared_data);
return 0;
}
在这个程序中，thread_func函数是两个线程执行的函数，它会对shared_data变量进行1000000次加一操作。
为了确保多个线程不会同时访问shared_data变量，我们使用了一个互斥锁。当一个线程要访问shared_data变量时，它会调用pthread_mutex_lock函数来加锁。如果锁已经被其他线程持有，那么这个线程就会被阻塞，直到锁被释放为止。当线程完成对shared_data变量的操作后，它会调用pthread_mutex_unlock函数来释放锁。
在这个程序执行完毕后，我们可以通过打印shared_data变量的值来检查程序是否正确地同步了两个线程的访问。如果程序正确地同步了线程的访问，那么shared_data变量的值应该是2000000。