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C 语言互斥锁

在多线程编程中，多个线程可能会同时访问共享资源，这可能导致数据不一致或程序行为异常。为了避免这种情况，C语言提供了**互斥锁（Mutex）**机制。互斥锁是一种同步原语，用于确保同一时间只有一个线程可以访问共享资源。

什么是互斥锁？​

互斥锁（Mutex，全称 Mutual Exclusion）是一种用于多线程编程的同步机制。它的主要作用是保护共享资源，确保在同一时间只有一个线程可以访问该资源。当一个线程持有互斥锁时，其他线程必须等待，直到该线程释放锁后才能继续执行。

互斥锁的基本操作​

在C语言中，互斥锁通常通过 pthread 库来实现。以下是互斥锁的基本操作：

  1. 初始化互斥锁：使用 pthread_mutex_init 函数初始化互斥锁。
  2. 加锁：使用 pthread_mutex_lock 函数获取互斥锁。
  3. 解锁：使用 pthread_mutex_unlock 函数释放互斥锁。
  4. 销毁互斥锁：使用 pthread_mutex_destroy 函数销毁互斥锁。

互斥锁的使用示例​

以下是一个简单的示例，展示了如何使用互斥锁来保护共享资源。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

// 共享资源
int shared_resource = 0;

// 互斥锁
pthread_mutex_t mutex;

void* increment_resource(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
        // 加锁
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        shared_resource++;
        // 解锁
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread1, thread2;

    // 初始化互斥锁
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    // 创建两个线程
    pthread_create(&thread1, NULL, increment_resource, NULL);
    pthread_create(&thread2, NULL, increment_resource, NULL);

    // 等待线程结束
    pthread_join(thread1, NULL);
    pthread_join(thread2, NULL);

    // 销毁互斥锁
    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    // 输出共享资源的值
    printf("Shared Resource: %d\n", shared_resource);

    return 0;
}

代码解释​

  1. 共享资源：shared_resource 是一个全局变量，两个线程都会对其进行操作。
  2. 互斥锁初始化：在 main 函数中，我们使用 pthread_mutex_init 初始化互斥锁。
  3. 加锁与解锁：在每个线程中，我们使用 pthread_mutex_lock 和 pthread_mutex_unlock 来保护对 shared_resource 的访问。
  4. 线程创建与等待：我们创建了两个线程，并等待它们执行完毕。
  5. 销毁互斥锁：在程序结束前，我们使用 pthread_mutex_destroy 销毁互斥锁。

输出结果​

运行上述代码，输出结果应为：

Shared Resource: 200000

如果没有使用互斥锁，由于竞争条件的存在，shared_resource 的值可能会小于 200000。

实际应用场景​

互斥锁在多线程编程中非常常见，特别是在以下场景中：

  1. 银行账户操作：多个线程同时访问同一个银行账户时，需要使用互斥锁来确保账户余额的正确性。
  2. 文件读写：多个线程同时读写同一个文件时，需要使用互斥锁来避免数据损坏。
  3. 数据库操作：多个线程同时访问数据库时，需要使用互斥锁来确保数据的一致性。

总结​

互斥锁是多线程编程中非常重要的同步机制，它可以有效避免竞争条件，确保共享资源的安全访问。通过合理使用互斥锁，我们可以编写出高效且可靠的多线程程序。

提示

在使用互斥锁时，务必确保每个加锁操作都有对应的解锁操作，否则可能会导致死锁。

附加资源与练习​

  1. 练习：修改上述代码，尝试去掉互斥锁，观察输出结果的变化。
  2. 进一步学习：了解其他同步机制，如条件变量（Condition Variables）和信号量（Semaphores）。
  3. 参考文档：查阅 pthread 库的官方文档，了解更多关于互斥锁的高级用法。
警告

在多线程编程中，死锁是一个常见问题。确保在编写代码时避免死锁的发生。