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线程控制：互斥与同步

互斥（Mutex）

概念
在多线程环境中，互斥用于保证对临界资源（如全局变量、文件、设备）的排他性访问。当多个线程并发执行时（如th1和th2交替运行），对共享资源的非原子操作（如a++对应的多步汇编指令）可能导致数据不一致。互斥锁通过将临界区代码封装为原子操作（一次线程调度中必须完整执行），确保同一时刻仅有一个线程访问资源。

使用步骤

1. 定义互斥锁

   pthread_mutex_t mutex;

2. 初始化锁

   int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);

   • attr通常设为NULL（默认属性）。
   • 返回值：成功返回0，失败返回非零值。

3. 加锁

   int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

   • 若锁已被占用，则阻塞当前线程。
   • 临界区代码需短小，避免耗时操作或休眠。

4. 解锁

   int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

5. 销毁锁

   int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

同步（Semaphore）

概念
同步是互斥的扩展，用于控制线程执行的先后顺序。与互斥锁不同：

• 互斥锁：加锁和解锁由同一线程完成。
• 信号量：线程可交叉释放资源（如th1释放th2的资源）。
• 计数信号量：初值可大于1（如资源池），支持多线程并发访问。

使用步骤

1. 定义信号量

   sem_t sem;

2. 初始化信号量

   int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

   • pshared=0：线程间共享；pshared≠0：进程间共享。
   • value：初始资源数（如二值信号量设为1）。

3. P/V 操作

   • P 操作（申请资源）：

     int sem_wait(sem_t *sem); // 资源不足时阻塞

   • V 操作（释放资源）：

     int sem_post(sem_t *sem); // 释放后信号量值 +1

4. 销毁信号量

   int sem_destroy(sem_t *sem);

死锁

产生条件
死锁由以下四个必要条件同时满足导致：

1. 互斥条件：资源仅能被一个线程占用。
2. 请求与保持：线程阻塞时仍持有已获取的资源。
3. 不可剥夺：资源在使用完前不能被强制释放。
4. 循环等待：线程间形成环形资源依赖链。

预防策略

• 破坏任一条件即可避免死锁，例如：
  • 按固定顺序申请锁。
  • 设置锁超时机制。

互斥 vs. 信号量