Linux多线程同步详解：互斥锁、读写锁与信号量示例

在Linux多线程编程中，线程同步是一个至关重要的概念，它确保了并发执行的线程能够有序地共享和操作共享资源，避免了数据竞争和并发问题。本文将深入讲解Linux系统中常见的线程同步机制，包括互斥锁（mutexes）、读写锁（read-write locks）、信号量（semaphores）和条件变量（condition variables）。 1. 互斥锁（Mutexes）：互斥锁是基础的同步工具，通过保护临界区（一段需要被单一线程访问的代码），防止多个线程同时进入。例如，在C语言中，可以使用`pthread_mutex_t`类型来创建和管理互斥锁。下面是一个简单的使用示例： ```c pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; void *thread_function(void *arg) { pthread_mutex_lock(&lock); // 获取锁 // 在这里访问/修改共享资源 pthread_mutex_unlock(&lock); // 释放锁 return NULL; } int main() { pthread_t thread_id; pthread_create(&thread_id, NULL, thread_function, NULL); pthread_join(thread_id, NULL); return 0; } ``` 2. 读写锁（Read-Write Locks）：读写锁允许多个线程同时读取共享资源，但写入操作会独占资源，确保一致性。在Linux中，可以使用`pthread_rwlock_t`来实现。如下面的代码所示，`reader`线程可以同时读取，而`writer`线程则需要获得写权限才能进行修改： ```c #include <pthread.h> pthread_rwlock_t rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER; void *reader(void *arg) { pthread_rwlock_rdlock(&rwlock); // 读取锁 // 读取共享资源 pthread_rwlock_unlock(&rwlock); // 释放读锁 return NULL; } void *writer(void *arg) { pthread_rwlock_wrlock(&rwlock); // 写入锁 // 修改共享资源 pthread_rwlock_unlock(&rwlock); // 释放写锁 return NULL; } ``` 3. 信号量（Semaphores）：信号量是一种计数器，用于控制对共享资源的访问次数。它们可以更精细地控制并发，如限制同时访问资源的线程数量。在C语言中，可以使用`sem_t`来操作信号量。一个简单的信号量使用示例： ```c sem_t sem = SEMAPHORE_INITIALIZER; // 初始化信号量 void *worker(void *arg) { while (sem_wait(&sem)); // 等待获取信号量 // 访问共享资源 sem_post(&sem); // 释放信号量 return NULL; } ``` 4. 条件变量（Condition Variables）：条件变量允许线程在满足特定条件时等待，直到被唤醒。这对于需要线程之间通信的情况非常有用。与互斥锁一起使用，可以创建复杂的同步逻辑，如生产者消费者模型。下面是一个简化的条件变量使用示例： ```c pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER; pthread_mutex_t cond_lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; void *producer(void *arg) { // ...产生数据 pthread_mutex_lock(&cond_lock); pthread_cond_signal(&cond); // 唤醒等待的消费者 pthread_mutex_unlock(&cond_lock); } void *consumer(void *arg) { while (true) { pthread_mutex_lock(&cond_lock); pthread_cond_wait(&cond, &cond_lock); // 等待条件变为真 // 消费数据 pthread_mutex_unlock(&cond_lock); } } ``` 理解并熟练掌握这些线程同步机制，有助于编写出高效、健壮且线程安全的Linux应用程序。在实践中，需要根据具体需求选择合适的同步工具，以避免潜在的竞争条件和死锁问题。