Linux中mutex机制

在Linux中，mutex是一种用于多线程编程的同步机制，用于保护共享资源，防止多个线程同时访问或修改这些资源，从而避免竞态条件的发生。mutex 是“mutual exclusion”的缩写，意为“互斥”。

1. Mutex 的基本概念

• 互斥锁：mutex 是一种锁机制，用于确保在任何时刻只有一个线程可以访问共享资源。当一个线程持有 mutex 时，其他试图获取该 mutex 的线程将被阻塞，直到持有 mutex 的线程释放它。
• 临界区：被 mutex 保护的代码段称为“临界区”。在临界区内，线程可以安全地访问共享资源，而不会被其他线程干扰。

2. Linux 中的 Mutex 实现

在Linux中，mutex 通常通过 POSIX 线程库来实现。pthread 提供了一组函数来创建、初始化、锁定、解锁和销毁 mutex。

2.1 创建和初始化 Mutex

在使用 mutex 之前，需要先创建并初始化它。可以使用 pthread_mutex_init 函数来初始化一个 mutex。

#include <pthread.h>pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;  // 静态初始化// 或者动态初始化
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);

• pthread_mutex_t 是 mutex 的类型。
• PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 是用于静态初始化 mutex 的宏。
• pthread_mutex_init 用于动态初始化 mutex，attr 参数可以用来设置 mutex 的属性（如类型、优先级等），通常可以传入 NULL 使用默认属性。

2.2 锁定 Mutex

线程在进入临界区之前需要先锁定 mutex，以确保没有其他线程同时进入临界区。可以使用 pthread_mutex_lock 函数来锁定 mutex。

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

• 如果 mutex 已经被其他线程锁定，调用 pthread_mutex_lock 的线程将被阻塞，直到 mutex 被解锁。

2.3 解锁 Mutex

线程在退出临界区之后需要解锁 mutex，以允许其他线程进入临界区。可以使用 pthread_mutex_unlock 函数来解锁 mutex。

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

2.4 销毁 Mutex

当 mutex 不再需要时，应该销毁它以释放相关资源。可以使用 pthread_mutex_destroy 函数来销毁 mutex。

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

• 销毁 mutex 之前，必须确保没有线程持有该 mutex。

3. Mutex 的使用示例

以下是一个多线程程序，使用 mutex 来保护共享资源。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>int shared_data = 0;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;void* thread_function(void* arg) {for (int i = 0; i < 100000; i++) {pthread_mutex_lock(&mutex);  // 锁定 mutexshared_data++;               // 修改共享资源pthread_mutex_unlock(&mutex);  // 解锁 mutex}return NULL;
}int main() {pthread_t thread1, thread2;pthread_create(&thread1, NULL, thread_function, NULL);pthread_create(&thread2, NULL, thread_function, NULL);pthread_join(thread1, NULL);pthread_join(thread2, NULL);printf("Shared data: %d\n", shared_data);pthread_mutex_destroy(&mutex);  // 销毁 mutexreturn 0;
}

在这个示例中，两个线程同时递增 shared_data 变量。由于 shared_data 是共享资源，因此使用 mutex 来保护它，确保每次只有一个线程可以修改 shared_data。

4. Mutex 的类型

在Linux中，pthread_mutex_t 可以有多种类型，通过 pthread_mutexattr_settype 函数可以设置 mutex 的类型。

• PTHREAD_MUTEX_NORMAL：普通 mutex，不进行死锁检测。如果一个线程重复锁定同一个 mutex，会导致死锁。
• PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE：递归 mutex，允许同一个线程多次锁定同一个 mutex。每次锁定操作必须对应一次解锁操作。
• PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK：错误检查 mutex，如果一个线程重复锁定同一个 mutex，会返回错误而不是导致死锁。