Linux线程同步互斥是多线程编程中的核心问题,主要解决多个线程并发访问共享资源时可能引发的数据不一致、逻辑错误等问题，在Linux系统中，线程同步互斥机制通过多种工具实现，每种工具适用于不同的场景，合理选择和使用这些机制是保证程序正确性和性能的关键。
互斥锁（Mutex）
互斥锁是最基础的同步工具,用于保护共享资源，确保同一时间只有一个线程可以访问被保护的代码段或数据，Linux中互斥锁通过pthread_mutex_t类型实现，主要操作包括初始化、加锁、解锁和销毁。
基本特性
- 互斥性：任何时刻最多只有一个线程持有锁，其他试图获取锁的线程会被阻塞。
- 简单性：API设计直观，易于理解和实现。
- 适用场景：适用于对临界区的独占访问，如修改全局变量、操作共享文件等。
关键函数
| 函数 | 功能 | 返回值 |
|---|---|---|
pthread_mutex_init() |
初始化互斥锁 | 成功返回0，失败返回错误码 |
pthread_mutex_lock() |
加锁，阻塞直到获取锁 | 成功返回0，失败返回错误码 |
pthread_mutex_unlock() |
解锁，释放锁 | 成功返回0，失败返回错误码 |
pthread_mutex_destroy() |
销毁互斥锁 | 成功返回0，失败返回错误码 |
注意事项
- 死锁：避免线程在已持有锁的情况下再次尝试获取同一把锁，或多个线程形成循环等待链。
- 解锁顺序：确保加锁和解锁的配对，避免未解锁导致其他线程永久阻塞。
- 性能优化：短临界区减少锁持有时间，降低线程竞争开销。
条件变量（Condition Variable）
条件变量允许线程在满足特定条件时等待,或在条件发生变化时通知其他线程，通常与互斥锁配合使用，避免忙等待（Busy-Waiting），提高资源利用效率。
工作原理
- 等待：线程在获取互斥锁后，判断条件不满足时调用
pthread_cond_wait()释放锁并进入等待状态。 - 通知：其他线程修改条件后，调用
pthread_cond_signal()或pthread_cond_broadcast()唤醒等待线程。
关键函数
| 函数 | 功能 | 返回值 |
|---|---|---|
pthread_cond_init() |
初始化条件变量 | 成功返回0，失败返回错误码 |
pthread_cond_wait() |
等待条件变量，自动释放锁 | 成功返回0，失败返回错误码 |
pthread_cond_signal() |
唤醒至少一个等待线程 | 成功返回0，失败返回错误码 |
pthread_cond_broadcast() |
唤醒所有等待线程 | 成功返回0，失败返回错误码 |
pthread_cond_destroy() |
销毁条件变量 | 成功返回0，失败返回错误码 |
典型应用场景
生产者-消费者模型：生产者向缓冲区添加数据，消费者从缓冲区取出数据，当缓冲区满时，生产者等待；当缓冲区空时，消费者等待。
读写锁（Read-Write Lock）
读写锁分为读锁和写锁,允许多个线程同时读共享资源，但写操作必须独占访问，适用于读多写少的场景，提高并发性能。
锁规则
- 读锁共享：多个线程可同时持有读锁。
- 写锁独占：写锁期间，其他线程无法获取读锁或写锁。
- 锁升级/降级：Linux读写锁不支持直接升级（读锁转写锁）或降级（写锁转读锁），需通过解锁后重新获取实现。
关键函数
| 函数 | 功能 | 返回值 |
|---|---|---|
pthread_rwlock_init() |
初始化读写锁 | 成功返回0，失败返回错误码 |
pthread_rwlock_rdlock() |
获取读锁 | 成功返回0，失败返回错误码 |
pthread_rwlock_wrlock() |
获取写锁 | 成功返回0，失败返回错误码 |
pthread_rwlock_unlock() |
释放读锁或写锁 | 成功返回0，失败返回错误码 |
pthread_rwlock_destroy() |
销毁读写锁 | 成功返回0，失败返回错误码 |
性能权衡
- 优势：读操作并发性高，适合读密集型任务。
- 劣势：写操作可能因频繁获取写锁导致读线程饥饿，需合理设计锁策略。
信号量（Semaphore）
信号量是一个计数器,用于控制同时访问特定资源的线程数量，分为二值信号量（0/1，类似互斥锁）和计数信号量（允许多个线程访问）。
核心操作
- 初始化：
sem_init()设置信号量初始值。 - 等待：
sem_wait()减少信号量值，若值小于0则阻塞。 - 发布：
sem_post()增加信号量值，唤醒等待线程。
适用场景
- 资源池管理：限制同时访问数据库连接的线程数。
- 任务同步：控制生产者-消费者模型中缓冲区的容量。
与互斥锁的区别
信号量支持资源计数,可用于控制多个资源访问；互斥锁仅支持二值状态，适用于严格独占场景。
自旋锁（Spinlock）
自旋锁是一种忙等待锁,当线程无法获取锁时，会循环检查锁状态直到成功，适用于锁持有时间极短的场景（如轻量级临界区）。
特点
- 低开销：线程不进入阻塞状态，避免上下文切换。
- CPU密集：长时间自旋会浪费CPU资源，不适合锁持有时间长的场景。
- 适用场景：内核编程、实时系统等对延迟敏感的场景。
关键函数
| 函数 | 功能 | 返回值 |
|---|---|---|
pthread_spin_init() |
初始化自旋锁 | 成功返回0，失败返回错误码 |
pthread_spin_lock() |
尝试获取自旋锁 | 成功返回0，失败返回错误码 |
pthread_spin_unlock() |
释放自旋锁 | 成功返回0，失败返回错误码 |
pthread_spin_destroy() |
销毁自旋锁 | 成功返回0，失败返回错误码 |
同步机制选择与最佳实践
- 按需选择：根据并发场景选择工具，如简单互斥用互斥锁，读多写少用读写锁。
- 避免过度同步：减少锁粒度，分段保护共享资源，降低竞争。
- 错误处理：检查所有同步函数的返回值，处理可能的错误。
- 死锁预防：按固定顺序获取锁，设置超时机制（如
pthread_mutex_timedlock）。
Linux线程同步互斥机制为多线程编程提供了灵活的解决方案,开发者需根据具体需求权衡正确性、性能和复杂度，合理设计同步策略，确保程序在并发环境下的稳定运行。
