C语言中的线程同步：Mutex与条件变量

最新推荐文章于 2025-05-12 10:46:07 发布

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文章标签： c语言开发语言

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C语言中的线程同步：Mutex与条件变量

在多线程编程中，线程同步是至关重要的技术，能够确保多个线程在共享资源时不会发生冲突。C语言中的线程同步通常通过互斥锁（mutex）和条件变量（condition variable）来实现。这两种同步机制帮助开发者确保线程间的协调，避免数据竞争，确保程序的正确性和性能。

本文将详细介绍C语言中的线程同步机制，重点讲解mutex（互斥锁）与条件变量的使用，包括它们的原理、应用场景和实现方法，帮助开发者理解如何在C语言中高效地实现线程同步。

线程同步的基本概念

在多线程编程中，多个线程通常会共享系统资源，例如内存、文件或数据结构。为了避免多个线程同时访问共享资源时产生数据竞争（Data Race），需要通过同步机制来协调线程之间的执行。线程同步确保多个线程在访问共享资源时遵循某种顺序，避免并发问题。

线程同步的目标

数据一致性：确保多个线程对共享数据的访问不冲突，避免因并发访问导致的数据丢失或不一致。
死锁避免：避免多个线程因相互等待对方释放资源而无法继续执行，导致系统死锁。
性能优化：通过合适的同步机制，减少同步开销，提升多线程程序的性能。

C语言中常用的线程同步机制有：互斥锁（mutex）、条件变量（condition variable）、**读写锁（read-write lock）**等。本文重点介绍互斥锁和条件变量的使用方法。

Mutex（互斥锁）概述

互斥锁（mutex）是一种常见的线程同步机制，用于保护共享资源的访问。互斥锁允许同一时间只有一个线程能够访问共享资源。通过对共享资源加锁，其他线程必须等待锁被释放后才能继续访问该资源。

在C语言中，互斥锁通常通过pthread_mutex_t类型来实现，操作包括初始化锁、加锁、解锁等。使用互斥锁可以有效防止多个线程同时访问临界区（critical section）导致的数据不一致。

Mutex的基本操作

初始化互斥锁：使用pthread_mutex_init()函数初始化一个互斥锁。
加锁：通过pthread_mutex_lock()函数锁定互斥锁。
解锁：通过pthread_mutex_unlock()函数解锁互斥锁。
销毁互斥锁：使用pthread_mutex_destroy()销毁互斥锁。

使用Mutex进行线程同步

下面通过一个简单的例子演示如何使用互斥锁来进行线程同步，防止多个线程同时访问共享资源。

示例：使用Mutex保护共享变量

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

pthread_mutex_t mutex;
int shared_variable = 0;

void* increment(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);  // 加锁，进入临界区
    shared_variable++;
    printf("Thread %ld incremented shared_variable: %d\n", (long)arg, shared_variable);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);  // 解锁，离开临界区
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t threads[10];
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);  // 初始化互斥锁

    // 创建10个线程，每个线程都调用increment函数
    for (long i = 0; i < 10; i++) {
        pthread_create(&threads[i], NULL, increment, (void*)i);
    }

    // 等待所有线程完成
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        pthread_join(threads[i], NULL);
    }

    printf("Final value of shared_variable: %d\n", shared_variable);

    pthread_mutex_destroy(&mutex);  // 销毁互斥锁
    return 0;
}

代码解析

pthread_mutex_lock(&mutex)：在访问共享变量shared_variable之前，首先对互斥锁进行加锁，确保同一时间只有一个线程能修改该变量。
pthread_mutex_unlock(&mutex)：修改共享变量后，释放互斥锁，允许其他线程访问共享资源。
pthread_mutex_init(&mutex, NULL)：初始化互斥锁，通常在程序开始时调用一次。
pthread_mutex_destroy(&mutex)：在不再使用互斥锁时销毁它，释放资源。

结果分析

在上述例子中，10个线程同时尝试修改共享变量shared_variable。通过互斥锁，我们确保每个线程在修改共享变量时不会与其他线程发生冲突。最终输出的shared_variable的值应该为10。

条件变量概述

条件变量（condition variable）是一种线程同步机制，用于协调多个线程的执行顺序。不同于互斥锁，条件变量用于在特定条件下暂停线程的执行，直到满足特定条件时再唤醒它们。

条件变量通常与互斥锁一起使用，互斥锁保证线程对共享数据的安全访问，而条件变量则允许线程在某些条件下进行等待和通知。

条件变量的基本操作

初始化条件变量：使用pthread_cond_init()函数初始化条件变量。
等待条件变量：通过pthread_cond_wait()函数使线程等待某个条件的满足。
唤醒线程：使用pthread_cond_signal()或pthread_cond_broadcast()唤醒等待条件变量的线程。
销毁条件变量：使用pthread_cond_destroy()销毁条件变量。

使用条件变量进行线程同步

条件变量通常用于实现生产者消费者模型、线程池等需要协调多个线程顺序执行的场景。

示例：生产者消费者模型

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

#define BUFFER_SIZE 5

pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond_var;
int buffer[BUFFER_SIZE];
int in = 0, out = 0;

void* producer(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);  // 加锁

        while ((in + 1) % BUFFER_SIZE == out) {  // 如果缓冲区已满，等待消费者消费
            pthread_cond_wait(&cond_var, &mutex);
        }

        buffer[in] = i;
        printf("Produced: %d\n", i);
        in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;

        pthread_cond_signal(&cond_var);  // 唤醒消费者
        pthread_mutex_unlock(&mutex);  // 解锁
    }
    return NULL;
}

void* consumer(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);  // 加锁

        while (in == out) {  // 如果缓冲区为空，等待生产者生产
            pthread_cond_wait(&cond_var, &mutex);
        }

        int item = buffer[out];
        printf("Consumed: %d\n", item);
        out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;

        pthread_cond_signal(&cond_var);  // 唤醒生产者
        pthread_mutex_unlock(&mutex);  // 解锁
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t prod, cons;

    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);  // 初始化互斥锁
    pthread_cond_init(&cond_var, NULL);  // 初始化条件变量

    // 创建生产者和消费者线程
    pthread_create(&prod, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&cons, NULL, consumer, NULL);

    pthread_join(prod, NULL);
    pthread_join(cons, NULL);

    pthread_mutex_destroy(&mutex);  // 销毁互斥锁
    pthread_cond_destroy(&cond_var);  // 销毁条件变量

    return 0;
}

代码解析

pthread_mutex_lock(&mutex)和pthread_mutex_unlock(&mutex)：用来保护共享缓冲区buffer，确保线程在操作缓冲区时是安全的。
pthread_cond_wait(&cond_var, &mutex)：当缓冲区为空时，消费者线程等待条件变量；当缓冲区已满时，生产者线程等待条件变量。
pthread_cond_signal(&cond_var)：生产者线程向消费者线程发出信号，唤醒等待中的消费者；消费者线程向生产者线程发出信号，唤醒等待中的生产者。