Linux互斥锁

最新推荐文章于 2025-06-15 15:00:32 发布

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本文深入解析了多线程编程中互斥锁的概念及其操作方法，包括创建、初始化、获取、释放和销毁线程锁的过程。同时，介绍了阻塞、非阻塞和超时调用的互斥锁获取策略。

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互斥的概念

在多线程编程中，引入了对象互斥锁的概念，来保证共享数据操作的完整性。每个对象都对应于一个可称为" 互斥锁" 的标记，这个标记用来保证在任一时刻，只能有一个线程访问该对象。

互斥锁操作

互斥锁也可以叫线程锁，接下来说说互斥锁的的使用方法。

对互斥锁进行操作的函数，常用的有如下几个：

复制代码

#include <pthread.h>

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abs_timeout);

复制代码

对线程锁进行操作的函数有很多，还包括许多线程锁属性的操作函数，不过一般来说，对于并不复杂的情况，只需要使用创建、获取锁、释放锁、删除锁这几个就足够了。

创建互斥锁

所以下面简单看一下如何创建和使用互斥锁。

在使用互斥锁之前，需要先创建一个互斥锁的对象。互斥锁的类型是 pthread_mutex_t ，所以定义一个变量就是创建了一个互斥锁。

pthread_mutex_t mtx;

这就定义了一个互斥锁。但是如果想使用这个互斥锁还是不行的，我们还需要对这个互斥锁进行初始化，使用函数 pthread_mutex_init() 对互斥锁进行初始化操作。

//第二个参数是 NULL 的话，互斥锁的属性会设置为默认属性
pthread_mutex_init(&mtx, NULL);

除了使用 pthread_mutex_init() 初始化一个互斥锁，我们还可以使用下面的方式定义一个互斥锁：

pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

在头文件 /usr/include/pthread.h 中，对 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 的声明如下

# define PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER \
   { { 0, 0, 0, 0, 0, 0, { 0, 0 } } }

为什么可以这样初始化呢，因为互斥锁的类型 pthread_mutex_t 是一个联合体，其声明在文件 /usr/include/bits/pthreadtypes.h 中，代码如下：

复制代码

/* Data structures for mutex handling.  The structure of the attribute
   type is not exposed on purpose.  */
typedef union
{
    struct __pthread_mutex_s
    {
        int __lock;
        unsigned int __count;
        int __owner;
#if __WORDSIZE == 64
        unsigned int __nusers;
#endif
        /* KIND must stay at this position in the structure to maintain
           binary compatibility.  */
        int __kind;
#if __WORDSIZE == 64
        int __spins;
        __pthread_list_t __list;
# define __PTHREAD_MUTEX_HAVE_PREV  1
#else
        unsigned int __nusers;
        __extension__ union
        {
            int __spins;
            __pthread_slist_t __list;
        };
#endif
    } __data;
    char __size[__SIZEOF_PTHREAD_MUTEX_T];
    long int __align;
} pthread_mutex_t;

复制代码

获取互斥锁

接下来是如何使用互斥锁进行互斥操作。在进行互斥操作的时候，应该先"拿到锁"再执行需要互斥的操作，否则可能会导致多个线程都需要访问的数据结果不一致。例如在一个线程在试图修改一个变量的时候，另一个线程也试图去修改这个变量，那就很可能让后修改的这个线程把前面线程所做的修改覆盖了。

下面是获取锁的操作：

阻塞调用

pthread_mutex_lock(&mtx);

这个操作是阻塞调用的，也就是说，如果这个锁此时正在被其它线程占用，那么 pthread_mutex_lock() 调用会进入到这个锁的排队队列中，并会进入阻塞状态，直到拿到锁之后才会返回。

非阻塞调用

如果不想阻塞，而是想尝试获取一下，如果锁被占用咱就不用，如果没被占用那就用，这该怎么实现呢？可以使用 pthread_mutex_trylock() 函数。这个函数和 pthread_mutex_lock() 用法一样，只不过当请求的锁正在被占用的时候，不会进入阻塞状态，而是立刻返回，并返回一个错误代码 EBUSY，意思是说，有其它线程正在使用这个锁。

复制代码

int err = pthread_mutex_trylock(&mtx);
if(0 != err) {
    if(EBUSY == err) {
        //The mutex could not be acquired because it was already locked.
    }
}

复制代码

超时调用

如果不想不断的调用 pthread_mutex_trylock() 来测试互斥锁是否可用，而是想阻塞调用，但是增加一个超时时间呢，那么可以使用 pthread_mutex_timedlock() 来解决，其调用方式如下：

复制代码

struct timespec abs_timeout;
abs_timeout.tv_sec = time(NULL) + 1;
abs_timeout.tv_nsec = 0;

int err = pthread_mutex_timedlock(&mtx, &abs_timeout);
if(0 != err) {
    if(ETIMEDOUT == err) {
        //The mutex could not be locked before the specified timeout expired.
    }
}

复制代码

上面代码的意思是，阻塞等待线程锁，但是只等1秒钟，一秒钟后如果还没拿到锁的话，那就返回，并返回一个错误代码 ETIMEDOUT，意思是超时了。

其中 timespec 定义在头文件 time.h 中，其定义如下

struct timespec
{
    __time_t tv_sec;        /* Seconds.  */
    long int tv_nsec;       /* Nanoseconds.  */
};

还需要注意的是，这个函数里面的时间，是绝对时间，所以这里用 time() 函数返回的时间增加了 1 秒。

释放互斥锁

用完了互斥锁，一定要记得释放，不然下一个想要获得这个锁的线程，就只能去等着了，如果那个线程很不幸的使用了阻塞等待，那就悲催了。

释放互斥锁比较简单，使用 pthread_mutex_unlock() 即可：

pthread_mutex_unlock(&mtx);

销毁线程锁

通过 man pthread_mutex_destroy 命令可以看到 pthread_mutex_destroy() 函数的说明，在使用此函数销毁一个线程锁后，线程锁的状态变为"未定义"。有的 pthread_mutex_destroy 实现方式，会使线程锁变为一个不可用的值。一个被销毁的线程锁可以被 pthread_mutex_init() 再次初始化。对被销毁的线程锁进行其它操作，其结果是未定义的。

对一个处于已初始化但未锁定状态的线程锁进行销毁是安全的。尽量避免对一个处于锁定状态的线程锁进行销毁操作。

销毁线程锁的操作如下：