13｜标准库：如何使用互斥量等技术协调线程运行？ -深入C语言和程序运行原理

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### 第十三章 标准库：如何使用互斥量等技术协调线程运行

在编写并发程序时，如何有效地管理线程间的同步与互斥，是确保程序正确性和性能的关键。C语言标准库本身并不直接提供高级的多线程编程接口，但POSIX线程（pthread）库作为在UNIX及类UNIX系统上广泛使用的线程库，为C语言程序提供了丰富的线程同步机制，包括互斥量（Mutexes）、条件变量（Condition Variables）、信号量（Semaphores）等。本章将重点介绍如何使用这些技术，特别是互斥量，来协调线程的运行。

#### 13.1 线程同步与互斥的基础

**13.1.1 线程同步的概念**

线程同步是指多个线程在执行过程中，按照一定的顺序或条件相互协作，以完成共同的任务。它确保了在多线程环境下，数据的访问和修改是安全的，避免了数据竞争（Race Conditions）和死锁（Deadlocks）等问题。

**13.1.2 互斥量的作用**

互斥量（Mutex，Mutual Exclusion的缩写）是一种用于保护共享资源的数据结构，它确保在任何时刻，只有一个线程可以访问该资源。当一个线程想要访问被互斥量保护的资源时，它必须先锁定该互斥量；访问结束后，再解锁互斥量，以便其他线程可以访问。

#### 13.2 POSIX线程库中的互斥量

在POSIX线程库中，互斥量的相关操作主要通过以下几个函数实现：

- `pthread_mutex_init()`：初始化互斥量。
- `pthread_mutex_lock()`：尝试锁定互斥量。如果互斥量已被锁定，则调用线程将被阻塞，直到互斥量被解锁。
- `pthread_mutex_unlock()`：解锁互斥量，允许其他线程访问被保护的资源。
- `pthread_mutex_destroy()`：销毁互斥量，释放其占用的资源。

**示例代码**：

```c
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

pthread_mutex_t lock;
int counter = 0;

void* increment(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&lock);
    counter++;
    printf("Counter = %d\n", counter);
    pthread_mutex_unlock(&lock);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t t1, t2;
    pthread_mutex_init(&lock, NULL); // 初始化互斥量

pthread_create(&t1, NULL, increment, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, increment, NULL);

pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);

pthread_mutex_destroy(&lock); // 销毁互斥量
    return 0;
}
```

在上述示例中，两个线程都试图增加同一个全局变量`counter`的值。通过使用互斥量`lock`，我们确保了每次只有一个线程能访问并修改`counter`，从而避免了数据竞争。

#### 13.3 互斥量的属性与类型

POSIX线程库允许通过`pthread_mutexattr_t`结构体和相关的函数来设置互斥量的属性，如类型（如快速互斥量、递归互斥量等）。

- **快速互斥量（Default Mutex）**：标准的互斥量类型，适用于大多数情况。
- **递归互斥量（Recursive Mutex）**：允许同一个线程多次锁定同一个互斥量，而不会导致死锁。每次锁定操作都需要对应的解锁操作来解锁。

**设置互斥量属性示例**：

```c
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
pthread_mutex_init(&lock, &attr);
pthread_mutexattr_destroy(&attr);
```

#### 13.4 使用条件变量与互斥量协同工作

条件变量（Condition Variables）通常与互斥量一起使用，以等待或通知线程某些条件的发生。条件变量允许线程挂起（阻塞）在一个条件上，直到另一个线程修改了条件并通知它。

**关键函数**：

- `pthread_cond_init()`：初始化条件变量。
- `pthread_cond_wait()`：在调用线程上阻塞，等待条件变量的条件为真，同时释放与之关联的互斥量。
- `pthread_cond_signal()`：唤醒等待该条件变量的一个线程。
- `pthread_cond_broadcast()`：唤醒等待该条件变量的所有线程。

**示例**：生产者-消费者问题（简化版）

```c
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
int buffer = 0;
int full = 0;

void* producer(void* arg) {
    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while (full) {
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex); // 等待缓冲区不满
        }
        buffer = 1; // 生产数据
        full = 1;
        printf("Produced\n");
        pthread_cond_signal(&cond); // 通知消费者
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(1); // 模拟耗时操作
    }
    return NULL;
}

void* consumer(void* arg) {
    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while (!full) {
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex); // 等待缓冲区有数据
        }
        buffer = 0; // 消费数据
        full = 0;
        printf("Consumed\n");
        pthread_cond_signal(&cond); // 可选，如果多个消费者可能需要
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(1); // 模拟耗时操作
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t prod, cons;
    pthread_create(&prod, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&cons, NULL, consumer, NULL);

pthread_join(prod, NULL);
    pthread_join(cons, NULL); // 实际应用中，通常不会在这里等待终止
    return 0;
}
```

在这个示例中，生产者和消费者通过互斥量和条件变量协同工作，确保了数据的正确生产和消费，避免了数据竞争和死锁的问题。

#### 13.5 注意事项与最佳实践

1. **避免死锁**：确保互斥量的锁定顺序在所有线程中保持一致，避免循环等待条件。
2. **使用锁的范围最小化**：只在必要时锁定互斥量，并在最短时间内释放，以减少线程阻塞时间。
3. **检查返回值**：线程同步函数的返回值提供了操作是否成功的反馈，应总是检查这些值。
4. **使用递归锁需谨慎**：虽然递归锁允许同一个线程多次锁定，但过度使用可能会导致性能问题或隐藏的逻辑错误。
5. **考虑使用高级同步机制**：对于复杂的同步需求，如读者-写者问题，可以考虑使用读写锁（Read-Write Locks）等更高级的同步机制。

通过以上内容的介绍，您应该已经对如何在C语言中使用POSIX线程库中的互斥量等技术来协调线程运行有了较为全面的了解。在实际编程中，根据具体需求选择合适的同步机制，并遵循最佳实践，是编写高效、稳定并发程序的关键。

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