Linux线程同步机制深度解析:信号量、互斥锁、条件变量与读写锁
Linux线程同步机制深度解析:信号量、互斥锁、条件变量与读写锁
一、线程同步基础
在多线程编程中,多个线程共享进程资源(如全局变量、文件描述符)时,若对共享资源的访问不加控制,会导致数据不一致或竞态条件。线程同步机制通过协调线程执行顺序,确保共享资源在任意时刻被正确访问。
二、信号量(Semaphore)
1. 核心概念
信号量本质是一个计数器,用于控制对共享资源的访问次数。分为无名信号量(线程间共享)和命名信号量(进程间共享),本文聚焦线程间同步的无名信号量。
2. 关键函数
#include <semaphore.h>// 初始化信号量(线程间共享时pshared=0,初始值value)
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);// 销毁信号量
int sem_destroy(sem_t *sem);// P操作:获取资源,信号量减1,若值<0则阻塞
int sem_wait(sem_t *sem);// V操作:释放资源,信号量加1,若值≤0则唤醒等待线程
int sem_post(sem_t *sem);
3. 示例:控制线程交替执行
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>sem_t sem;
void* thread_a(void *arg) {for (int i = 0; i < 5; ++i) {sem_wait(&sem); // 申请资源printf("A"); fflush(stdout);sleep(1);printf("A"); fflush(stdout);sem_post(&sem); // 释放资源}return NULL;
}void* thread_b(void *arg) {// 同上,打印"B"
}int main() {sem_init(&sem, 0, 1); // 初始值1(互斥)pthread_create(&tid1, NULL, thread_a, NULL);pthread_create(&tid2, NULL, thread_b, NULL);pthread_join(tid1, NULL);pthread_join(tid2, NULL);sem_destroy(&sem);return 0;
}
4. 思考:信号量与互斥锁的区别?
- 信号量:计数器,可控制多个资源的访问(如允许多个线程同时读)。
- 互斥锁:等价于初始值为1的信号量,保证互斥访问(一次仅一个线程使用资源)。
三、互斥锁(Mutex)
1. 核心功能
互斥锁是最轻量的同步工具,确保共享资源在任意时刻仅被一个线程访问,适用于临界区保护(如全局变量、链表操作)。
2. 关键函数
#include <pthread.h>// 初始化互斥锁(默认属性NULL)
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);// 加锁(阻塞直到获取锁)
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);// 解锁
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);// 销毁互斥锁
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
3. 示例:保护全局变量
pthread_mutex_t mutex;
int counter = 0;void* increment(void *arg) {for (int i = 0; i < 1000; ++i) {pthread_mutex_lock(&mutex);counter++;pthread_mutex_unlock(&mutex);}return NULL;
}int main() {pthread_mutex_init(&mutex, NULL);// 创建多个线程调用increment...pthread_mutex_destroy(&mutex);return 0;
}
4. 注意事项
- 死锁风险:避免多个线程以不同顺序加锁,或持有锁时调用阻塞函数。
- 性能:适合短临界区,长临界区建议用读写锁或条件变量。
四、条件变量(Condition Variable)
1. 核心概念
条件变量与互斥锁配合,让线程等待特定条件成立(如“数据已准备好”)。线程通过wait
阻塞,条件满足时由其他线程signal
/broadcast
唤醒。
2. 关键函数
#include <pthread.h>// 初始化条件变量
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr);// 等待条件(自动释放互斥锁,唤醒时重新加锁)
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);// 唤醒一个等待线程
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);// 唤醒所有等待线程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
3. 示例:生产者-消费者模型
pthread_cond_t cond;
pthread_mutex_t mutex;
int buffer = 0;// 生产者
void* producer(void *arg) {for (int i = 0; i < 5; ++i) {pthread_mutex_lock(&mutex);buffer = i;pthread_cond_signal(&cond); // 通知消费者pthread_mutex_unlock(&mutex);sleep(1);}return NULL;
}// 消费者
void* consumer(void *arg) {pthread_mutex_lock(&mutex);while (buffer == 0) { // 避免虚假唤醒,用循环检查条件pthread_cond_wait(&cond, &mutex);}printf("Consumed: %d\n", buffer);pthread_mutex_unlock(&mutex);return NULL;
}
4. 深度思考:为什么条件变量需要配合互斥锁?
- 条件检查(如
buffer == 0
)和等待操作(pthread_cond_wait
)必须原子化,否则线程可能在检查后、等待前被调度,导致错过信号(惊群效应)。互斥锁保证条件检查与等待的原子性。 - 若不加锁,可能出现:
线程 A 检查到buffer非空,准备读取时被调度。
线程 B 写入数据并唤醒等待线程,但线程 A 已跳过等待,导致数据被重复读取。
五、读写锁(Read-Write Lock)
1. 核心优势
允许多个线程同时读(共享模式),但写操作独占(排他模式),适用于读多写少场景(如配置文件读取、缓存查询)。
2. 关键函数
#include <pthread.h>// 初始化读写锁
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *rwlock, const pthread_rwlockattr_t *attr);// 读锁(共享模式,可多个线程同时获取)
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);// 写锁(排他模式,仅一个线程可获取)
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);// 解锁
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
3. 示例:多读单写场景
pthread_rwlock_t rwlock;
int shared_data = 0;// 读线程
void* reader(void *arg) {for (int i = 0; i < 10; ++i) {pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);printf("Read: %d\n", shared_data);pthread_rwlock_unlock(&rwlock);sleep(1);}return NULL;
}// 写线程
void* writer(void *arg) {for (int i = 0; i < 5; ++i) {pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);shared_data++;pthread_rwlock_unlock(&rwlock);sleep(1);}return NULL;
}
4. 性能对比
场景 | 互斥锁 | 读写锁 |
---|---|---|
单读单写 | 等效 | 等效 |
多读单写 | 低并发 | 高并发(读可并行) |
多写 | 低并发 | 低并发(写独占) |
六、线程安全与可重入函数
1. 线程安全定义
函数在多线程环境下被调用时,无论调度顺序如何,都能正确执行(无竞态条件)。
2. 不可重入函数风险
- 案例:
strtok
使用静态变量记录分割位置,多线程调用时会互相干扰。// 错误:主线程与子线程共享strtok的静态状态 void* thread_func(void *arg) {char* token = strtok((char*)arg, ",");// ... }
3. 解决方案:可重入版本
strtok_r
(POSIX):通过传入saveptr
参数保存每个线程的分割状态。// 正确:每个线程维护独立的saveptr char* token = strtok_r(str, ",", &saveptr);
4. 线程安全函数特征
- 不使用全局/静态变量,或通过互斥锁保护。
- 不返回指向静态缓冲区的指针(如
gethostbyname
非线程安全,gethostbyname_r
安全)。
七、同步机制对比与选择
机制 | 适用场景 | 优势 | 劣势 |
---|---|---|---|
互斥锁 | 互斥访问(临界区) | 轻量、简单 | 单线程独占,读多写少低效 |
信号量 | 资源计数(如连接池) | 支持多资源控制 | 复杂场景易死锁 |
条件变量 | 等待特定条件(生产者-消费者) | 细粒度同步 | 需配合互斥锁 |
读写锁 | 读多写少场景 | 读并发高 | 写操作阻塞所有读 |
通过合理选择同步机制,开发者能在保证数据一致性的同时,最大化多线程程序的性能。实际编码中,需结合场景(如临界区长度、读写比例)选择最适合的工具,避免过度同步或同步不足带来的问题。
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