嵌入式Linux：线程同步（互斥锁）

不脱发的程序猿

发布于 2025-02-18 14:21:24

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Linux线程的互斥锁（mutex）是用于保护共享资源的同步机制，确保在多线程环境中，多个线程不会同时访问或修改同一个资源，从而避免数据竞争或不一致的问题。

互斥锁是一种二进制锁，也就是说它只有两种状态：锁定（locked）和解锁（unlocked）。

当一个线程想要访问受保护的共享资源时，它首先必须尝试锁定互斥锁，如果锁已经被其他线程持有，则它必须等待，直到锁被释放。

当线程完成对资源的操作后，它需要解锁互斥锁，以便其他线程可以访问该资源。

互斥锁的工作原理：

锁定（lock）：线程调用pthread_mutex_lock()，如果互斥锁已经解锁，则该线程成功锁定，并进入临界区访问共享资源；如果锁已被其他线程占有，则当前线程将阻塞，直到锁被释放。
解锁（unlock）：线程完成对共享资源的操作后，调用pthread_mutex_unlock()，这会释放锁，其他被阻塞的线程将有机会锁定并访问该资源。

在Linux下，线程互斥锁主要通过POSIX线程库（pthread）来实现，通常的步骤包括：

初始化互斥锁：使用pthread_mutex_init()或直接用静态初始化PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER。
锁定互斥锁：在线程需要访问共享资源前，使用pthread_mutex_lock()锁定。
访问共享资源：执行需要对共享资源的操作。
解锁互斥锁：访问结束后，使用pthread_mutex_unlock()解锁。
销毁互斥锁：使用pthread_mutex_destroy()销毁互斥锁，通常在不再使用该互斥锁时进行。

1、互斥锁的初始化

互斥锁在使用之前必须先进行初始化操作。

可以通过两种方式来初始化互斥锁：静态初始化和动态初始化。

1.1、静态初始化

静态初始化使用 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 宏来初始化互斥锁，这是一种常见且简便的初始化方法。

无需显式调用初始化函数，适用于全局互斥锁。

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

在这种方式下，互斥锁被设置为默认属性。静态初始化不需要任何额外参数，并且返回值是隐式的，不会返回错误码。

1.2、动态初始化

动态初始化通过 pthread_mutex_init() 函数完成，适用于需要在运行时动态分配的互斥锁，或需要自定义互斥锁属性的情况。

pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);  // 初始化互斥锁属性

// 初始化互斥锁，第二个参数为属性，如果不需要自定义属性可以传入 NULL
int ret = pthread_mutex_init(&mutex, &attr);
if (ret != 0) {
    // 处理初始化失败
}
pthread_mutexattr_destroy(&attr);  // 销毁属性

参数：

mutex：指向 pthread_mutex_t 类型互斥锁的指针。
attr：互斥锁的属性指针，可以设置互斥锁的行为。如果不需要自定义属性，传入 NULL 表示使用默认属性。

返回值：成功时返回 0，失败时返回非零错误码。常见错误码包括：

EINVAL：attr 属性无效。
EBUSY：互斥锁已经被初始化。
ENOMEM：内存不足，无法分配资源。

2、互斥锁加锁与解锁

2.1、互斥锁加锁

pthread_mutex_lock() 用于对互斥锁加锁。

如果互斥锁已经被其他线程锁住，调用线程将进入阻塞状态，直到该互斥锁被解锁。

pthread_mutex_lock(&mutex);  // 加锁

参数：mutex 是指向要加锁的 pthread_mutex_t 互斥锁对象的指针。

返回值：成功时返回 0。如果出现错误，返回非零错误码：

EINVAL：互斥锁无效。
EDEADLK：线程试图递归加锁一个非递归互斥锁（导致死锁）。

2.2、互斥锁解锁

pthread_mutex_unlock() 用于解锁已经加锁的互斥锁。

如果其他线程正等待此互斥锁，它将被唤醒并获取锁。

pthread_mutex_unlock(&mutex);  // 解锁

参数：mutex 是指向要解锁的 pthread_mutex_t 互斥锁对象的指针。

返回值：成功时返回 0。可能的错误码：

EINVAL：互斥锁无效。
EPERM：当前线程没有持有该互斥锁。

3、非阻塞加锁

pthread_mutex_trylock() 是一种非阻塞加锁操作。

如果互斥锁已经被其他线程锁住，它不会阻塞，而是立即返回错误码 EBUSY。

int try_lock_example() {
    int ret = pthread_mutex_trylock(&mutex);
    if (ret == 0) {
        // 锁定成功
        printf("锁定成功！\n");
        pthread_mutex_unlock(&mutex);  // 解锁
    } else if (ret == EBUSY) {
        // 锁定失败，互斥锁已被其他线程持有
        printf("锁定失败，互斥锁被占用。\n");
    } else {
        // 其他错误
        printf("尝试锁定时出现错误。\n");
    }
    return 0;
}

参数：mutex 是指向要加锁的 pthread_mutex_t 互斥锁对象的指针。

返回值：

0：成功加锁。
EBUSY：互斥锁已经被其他线程持有，无法加锁。
EINVAL：互斥锁无效。

4、销毁互斥锁

使用完互斥锁后，应该通过 pthread_mutex_destroy() 释放与之相关的资源。

销毁互斥锁之前，确保它已经被解锁。

pthread_mutex_destroy(&mutex);

参数：mutex 是指向要销毁的 pthread_mutex_t 互斥锁对象的指针。

返回值：

0：成功销毁。
EINVAL：互斥锁无效或未被初始化。
EBUSY：互斥锁仍被锁定，不能销毁。

销毁互斥锁后，它不能再被使用，除非重新初始化。

5、互斥锁死锁问题

如果一个线程在锁定互斥锁后由于某种原因没有解锁（如忘记调用pthread_mutex_unlock()或在临界区中发生异常终止），其他线程将永远无法获得该锁，导致系统卡住。

以下例子中，线程 A 锁定 mutex1，线程 B 锁定 mutex2，接着 A 和 B 分别尝试锁定对方已经持有的互斥锁，导致相互等待，程序进入死锁状态。

pthread_mutex_t mutex1 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutex2 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void *threadA(void *arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex1);
    sleep(1);  // 模拟工作
    pthread_mutex_lock(&mutex2);  // 这里会发生死锁
    pthread_mutex_unlock(&mutex2);
    pthread_mutex_unlock(&mutex1);
    return NULL;
}

void *threadB(void *arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex2);
    sleep(1);  // 模拟工作
    pthread_mutex_lock(&mutex1);  // 这里会发生死锁
    pthread_mutex_unlock(&mutex1);
    pthread_mutex_unlock(&mutex2);
    return NULL;
}

预防死锁方法：

固定锁顺序：所有线程在请求多个锁时，必须按照相同的顺序来请求。
超时加锁：使用 pthread_mutex_trylock()，可以避免线程长时间等待锁。

6、互斥锁的属性

pthread_mutexattr_t 结构体用于控制互斥锁的行为。常用属性包括互斥锁的类型。

通过 pthread_mutexattr_settype() 设置互斥锁的类型。

常见类型包括：

PTHREAD_MUTEX_NORMAL：普通互斥锁，不会检查错误，递归加锁会导致死锁。
PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK：错误检查互斥锁，如果同一线程重复加锁，返回 EDEADLK 错误。
PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE：递归锁，允许同一线程对互斥锁多次加锁，但需要相同次数的解锁。
PTHREAD_MUTEX_DEFAULT：默认行为，通常与 PTHREAD_MUTEX_NORMAL 等价。

设置递归锁的示例：

pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutexattr_t attr;

pthread_mutexattr_init(&attr);  // 初始化属性
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);  // 设置递归锁类型
pthread_mutex_init(&mutex, &attr);  // 初始化互斥锁

pthread_mutexattr_destroy(&attr);  // 销毁属性

返回值：