【Linux】从互斥原理到C++ RAII封装实践

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📢前言

紧接上回的线程C++封装，这回笔者着重介绍一下互斥的原理和其必要性，并手把手使用C++封装一个RAII模型。

还有一点，笔者之后的封装都会使用之前博客中封装好的容器，需要的可以去仓库或者前面的博客中自取。

RAII 的核心思想是将资源的获取和初始化放在对象的构造函数中进行，而资源的释放放在对象的析构函数中进行。当对象被创建时，其构造函数会自动执行，从而完成资源的获取；当对象的生命周期结束时，其析构函数会被自动调用，从而完成资源的释放。这样，资源的生命周期就与对象的生命周期绑定在一起，利用 C++ 等语言的对象自动销毁机制来确保资源的正确释放。

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🏳️‍🌈一、从场景看互斥：为什么需要锁？

假设你的银行账户余额是1000元，同时有两个线程执行转账操作：

• ​线程A：存入200元 → balance += 200
• ​线程B：取出300元 → balance -= 300
  无锁情况下可能的执行顺序：

线程A读取balance(1000) → 线程B读取balance(1000) → 
线程A写入1200 → 线程B写入700  
最终结果：700元（正确应为900元）

🏳️‍🌈二、互斥锁核心概念图解

2.1 临界区与非临界区

void* thread_func(void* arg) {// 非临界区（可并发执行）prepare_data();  // 临界区（需互斥访问）pthread_mutex_lock(&mtx);update_shared_resource();  pthread_mutex_unlock(&mtx);// 非临界区（可并发执行）post_process();
}

关键特征：

🔵 ​非临界区：允许多线程并行（如图中绿色区域）
🔴 ​临界区：同一时刻仅一个线程执行（红色区域）

2. 2 进程线程间的互斥相关背景概念

• 临界资源:多线程执行流共享的资源就叫做临界资源
• 临界区:每个线程内部，访问临界资源的代码，就叫做临界区
• 互斥:任何时刻，互斥保证有且只有一个执行流进入临界区，访问临界资源，通常对临界资源起保护作用
• 原子性:(后面讨论如何实现):不会被任何调度机制打断的操作，该操作只有两态，要么完成，要么未完成

🏳️‍🌈三、Linux互斥锁原理剖析

核心操作流程：

sequenceDiagramparticipant 线程Aparticipant 互斥锁participant 内核线程A->>互斥锁: pthread_mutex_lock()alt 锁空闲互斥锁-->>线程A: 立即获得锁else 锁被占线程A->>内核: 进入休眠队列内核-->>线程A: 唤醒并获取锁end线程A->>临界区: 执行操作线程A->>互斥锁: pthread_mutex_unlock()

3.2 初始化互斥量

方法一：静态分布

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

方法二：动态分布

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

mutex：要初始化的互斥量
attr：NULL

3.3 销毁互斥量

销毁互斥量需要注意：

• 使用 PTHREAD_MUTEXINITIALIZER 初始化的互斥量不需要销毁
• 不要销毁一个已经加锁的互斥量
• 已经销毁的互斥量，要确保后面不会有线程再尝试加锁

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex)；

互斥量加锁和解锁

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
返回值:成功返回0,失败返回错误号

调⽤ pthread_mutex_lock 时，可能会遇到以下情况:

• 互斥量处于未锁状态，该函数会将互斥量锁定，同时返回成功
• 发起函数调用时，其他线程已经锁定互斥量，或者存在其他线程同时申请互斥量，但没有竞争到互斥量，那么pthread lock调用会陷入阻塞(执行流被挂起)，等待互斥量解锁。

3.3 pthread_mutex 底层实现

// 锁结构（简化为x86实现）
struct pthread_mutex {int __lock;          // 锁状态标识int __count;         // 递归锁计数器int __owner;         // 持有者线程IDint __kind;          // 锁类型标识// ... 其他字段
};

🏳️‍🌈四、C++ RAII封装实战

4.1 基础互斥类（Mutex）

// 互斥锁封装类（不可拷贝构造/赋值）class Mutex{public:// 禁止拷贝（保护系统锁资源）Mutex(const Mutex&) = delete;const Mutex& operator = (const Mutex&) = delete;// 构造函数：初始化POSIX互斥锁Mutex(){// 初始化互斥锁属性为默认值int n = ::pthread_mutex_init(&_lock, nullptr);(void)n; // 实际开发建议处理错误码}// 析构函数：销毁锁资源~Mutex(){// 确保锁已处于未锁定状态int n = ::pthread_mutex_destroy(&_lock);(void)n; // 生产环境应检查返回值}// 加锁操作（阻塞直至获取锁）void Lock(){// 可能返回EDEADLK（死锁检测）等错误码int n = ::pthread_mutex_lock(&_lock);(void)n; // 简化处理，实际建议抛异常或记录日志}// 解锁操作（必须由锁持有者调用）void Unlock(){// 未持有锁时解锁将返回EPERMint n = ::pthread_mutex_unlock(&_lock);(void)n; }private:pthread_mutex_t _lock; // 底层锁对象};

4.2 守卫锁（LockGuard）

守卫锁不是新的锁类型，而是对已有锁的自动化生命周期管理工具。这种设计模式完美契合图示中"Lock-unlock"边界需要严格匹配的核心诉求

守卫锁工作流程

sequenceDiagramparticipant 线程participant 守卫锁participant 互斥锁线程->>守卫锁: 创建LockGuard对象守卫锁->>互斥锁: 调用Lock()互斥锁-->>守卫锁: 获得锁线程->>临界区: 执行操作线程->>守卫锁: 对象离开作用域守卫锁->>互斥锁: 调用Unlock()互斥锁-->>其他线程: 释放锁资源

实现

// RAII锁守卫（自动管理锁生命周期）class LockGuard{public:// 构造时加锁（必须传入已初始化的Mutex引用）LockGuard(Mutex &mtx):_mtx(mtx){_mtx.Lock(); // 进入临界区}// 析构时自动解锁（异常安全保证）~LockGuard(){_mtx.Unlock(); // 离开作用域自动释放}private:Mutex &_mtx; // 引用方式持有，避免拷贝导致未定义行为};

🏳️‍🌈五、完整代码

5.1 Mutex.hpp

#pragma once
#include <iostream>
#include <pthread.h> // POSIX线程库头文件namespace LockModule
{// 互斥锁封装类（不可拷贝构造/赋值）class Mutex{public:// 禁止拷贝（保护系统锁资源）Mutex(const Mutex&) = delete;const Mutex& operator = (const Mutex&) = delete;// 构造函数：初始化POSIX互斥锁Mutex(){// 初始化互斥锁属性为默认值int n = ::pthread_mutex_init(&_lock, nullptr);(void)n; // 实际开发建议处理错误码}// 析构函数：销毁锁资源~Mutex(){// 确保锁已处于未锁定状态int n = ::pthread_mutex_destroy(&_lock);(void)n; // 生产环境应检查返回值}// 加锁操作（阻塞直至获取锁）void Lock(){// 可能返回EDEADLK（死锁检测）等错误码int n = ::pthread_mutex_lock(&_lock);(void)n; // 简化处理，实际建议抛异常或记录日志}// 解锁操作（必须由锁持有者调用）void Unlock(){// 未持有锁时解锁将返回EPERMint n = ::pthread_mutex_unlock(&_lock);(void)n; }private:pthread_mutex_t _lock; // 底层锁对象};// RAII锁守卫（自动管理锁生命周期）class LockGuard{public:// 构造时加锁（必须传入已初始化的Mutex引用）LockGuard(Mutex &mtx):_mtx(mtx){_mtx.Lock(); // 进入临界区}// 析构时自动解锁（异常安全保证）~LockGuard(){_mtx.Unlock(); // 离开作用域自动释放}private:Mutex &_mtx; // 引用方式持有，避免拷贝导致未定义行为};
}

5.2 Mutex.cc

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <sched.h>int ticket = 0;
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;void *route(void *arg)
{char *id = (char *)arg;while (1){pthread_mutex_lock(&mutex);if (ticket > 0){usleep(1000);printf("%s sells ticket:%d\n", id, ticket);ticket--;pthread_mutex_unlock(&mutex);}else{printf("%s wait on cond!\n", id);pthread_cond_wait(&cond, &mutex); //醒来的时候，会重新申请锁！！printf("%s 被叫醒了\n", id);}pthread_mutex_unlock(&mutex);}return nullptr;
}int main(void)
{pthread_t t1, t2, t3, t4;pthread_mutex_init(&mutex, NULL);pthread_create(&t1, NULL, route, (void *)"thread 1");pthread_create(&t2, NULL, route, (void *)"thread 2");pthread_create(&t3, NULL, route, (void *)"thread 3");pthread_create(&t4, NULL, route, (void *)"thread 4");int cnt = 10;while(true){sleep(5);ticket += cnt;printf("主线程放票喽, ticket: %d\n", ticket);pthread_cond_signal(&cond);}pthread_join(t1, NULL);pthread_join(t2, NULL);pthread_join(t3, NULL);pthread_join(t4, NULL);pthread_mutex_destroy(&mutex);
}

5.3 Makefile

bin=testMutex
cc=g++
src=$(wildcard *.cc)
obj=$(src:.cc=.o)$(bin):$(obj)$(cc) -o $@ $^ -lpthread
%.o:%.cc$(cc) -c $< -std=c++17.PHONY:clean
clean:rm -f $(bin) $(obj).PHONY:test
test:echo $(src)echo $(obj)

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👥总结

本篇博文对 从互斥原理到C++ RAII封装实践 做了一个较为详细的介绍，不知道对你有没有帮助呢

觉得博主写得还不错的三连支持下吧！会继续努力的~