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linux 条件变量和互斥锁

Linux 条件变量和互斥锁基础概念

互斥锁(Mutex)

互斥锁是一种同步机制,用于保护共享资源,防止多个线程同时访问导致的数据不一致问题。当一个线程获得互斥锁时,其他试图获得该锁的线程将被阻塞,直到锁被释放。

优势:

  • 确保同一时间只有一个线程访问共享资源。
  • 避免数据竞争和不一致。

类型:

  • 静态互斥锁
  • 动态互斥锁

应用场景:

  • 多线程编程中对共享资源的保护。
  • 防止死锁和竞态条件。

条件变量(Condition Variable)

条件变量是一种线程同步机制,允许线程等待某个条件成立。它通常与互斥锁一起使用,以确保线程在等待条件时不会错过条件的变化。

优势:

  • 允许线程在特定条件满足时被唤醒。
  • 减少忙等待,提高效率。

类型:

  • POSIX 条件变量
  • System V 信号量

应用场景:

  • 生产者-消费者问题。
  • 线程池管理。
  • 事件驱动编程。

示例代码

以下是一个简单的示例,展示了如何在C语言中使用互斥锁和条件变量:

代码语言:txt
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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>

pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;
int ready = 0;

void* producer(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    printf("Producer: Producing data...\n");
    ready = 1;
    pthread_cond_signal(&cond); // 通知等待的消费者
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

void* consumer(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while (ready == 0) {
        printf("Consumer: Waiting for data...\n");
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex); // 等待生产者通知
    }
    printf("Consumer: Consuming data...\n");
    ready = 0;
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t producer_thread, consumer_thread;

    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    pthread_cond_init(&cond, NULL);

    pthread_create(&producer_thread, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&consumer_thread, NULL, consumer, NULL);

    pthread_join(producer_thread, NULL);
    pthread_join(consumer_thread, NULL);

    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&cond);

    return 0;
}

常见问题及解决方法

1. 死锁(Deadlock)

原因:

  • 多个线程互相等待对方释放资源。

解决方法:

  • 确保所有线程以相同的顺序获取锁。
  • 使用超时机制,避免无限等待。

2. 信号丢失(Signal Loss)

原因:

  • 条件变量通知时,等待线程未及时响应。

解决方法:

  • 使用循环检查条件,确保条件确实满足后再继续执行。

3. 性能问题

原因:

  • 过度使用锁导致线程频繁阻塞和唤醒。

解决方法:

  • 减少锁的粒度,只在必要时加锁。
  • 使用读写锁(RW Lock)提高并发性能。

通过合理设计和使用互斥锁和条件变量,可以有效解决多线程编程中的同步问题,提高程序的稳定性和性能。

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