Linux线程同步与互斥高级指南

Linux线程同步与互斥机制详解（下）

互斥锁（Mutex）的高级用法

互斥锁的初始化方式分为静态和动态两种。静态初始化使用宏PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER，动态初始化通过pthread_mutex_init()函数实现。销毁互斥锁需调用pthread_mutex_destroy()。

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
// 或
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

互斥锁属性可通过pthread_mutexattr_t结构体设置，包括类型（如PTHREAD_MUTEX_NORMAL、PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE）和进程共享属性。递归锁允许同一线程多次加锁，避免自死锁。

条件变量（Condition Variable）

条件变量用于线程间的状态通知，需与互斥锁配合使用。基本操作包括pthread_cond_wait()和pthread_cond_signal()：

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_lock(&mutex);
while (condition_is_false) {
    pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}
pthread_mutex_unlock(&mutex);

广播通知所有等待线程使用pthread_cond_broadcast()。注意条件判断必须使用循环而非if语句，防止虚假唤醒（spurious wakeup）。

读写锁（Read-Write Lock）

读写锁通过pthread_rwlock_t实现，允许多个读线程并发访问，写线程独占访问。接口包括pthread_rwlock_rdlock()和pthread_rwlock_wrlock()：

pthread_rwlock_t rwlock;
pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);  // 读锁
pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);  // 写锁

读写锁适用于读多写少的场景，但可能引发写线程饥饿问题。Linux的pthread_rwlock默认偏向读，可通过属性设置调整策略。

屏障（Barrier）

屏障用于同步多个线程的执行阶段，通过pthread_barrier_t实现。线程调用pthread_barrier_wait()后会阻塞，直到达到预设的线程数量：

pthread_barrier_t barrier;
pthread_barrier_init(&barrier, NULL, 3);  // 等待3个线程
pthread_barrier_wait(&barrier);  // 线程在此同步

屏障常用于并行计算中划分计算阶段，如MapReduce模型的同步点。

自旋锁（Spinlock）

自旋锁通过忙等待实现，适用于临界区极短的场景。接口包括pthread_spin_lock()和pthread_spin_trylock()：

pthread_spinlock_t spinlock;
pthread_spin_lock(&spinlock);
// 临界区
pthread_spin_unlock(&spinlock);

自旋锁在用户态和内核态均有实现，但会消耗CPU资源。NUMA架构下需注意跨节点访问的开销。

无锁编程（Lock-Free）

原子操作是无锁编程的基础，Linux提供<stdatomic.h>头文件支持C11原子操作：

atomic_int counter = ATOMIC_VAR_INIT(0);
atomic_fetch_add(&counter, 1);  // 原子加法

CAS（Compare-And-Swap）是无锁算法的核心原语，__atomic_compare_exchange_n()函数提供硬件级支持。无锁队列实现示例：

struct node {
    int data;
    struct node *next;
};
void push(struct node **head, int data) {
    struct node *new_node = malloc(sizeof(struct node));
    new_node->data = data;
    do {
        new_node->next = *head;
    } while (!__atomic_compare_exchange_n(head, &new_node->next, new_node, 0, __ATOMIC_SEQ_CST, __ATOMIC_SEQ_CST));
}

性能优化与调试

perf工具可分析锁争用情况：

perf record -e contention:contention_begin -a
perf report

Valgrind的Helgrind工具检测数据竞争：

valgrind --tool=helgrind ./program

避免优先级反转需设置互斥锁的优先级继承属性：

pthread_mutexattr_setprotocol(&attr, PTHREAD_PRIO_INHERIT);

实际应用场景

线程池：使用互斥锁保护任务队列，条件变量通知工作线程
生产者-消费者模型：环形缓冲区配合读写锁实现高效数据交换
并行计算：屏障同步各阶段计算结果，无锁结构减少开销

通过合理选择同步机制，结合性能分析和调试工具，可构建高效稳定的多线程程序。理解底层原理有助于在特定场景下做出最优设计决策。

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