一、為什麼要線程同步 在Linux 多線程編程中，線程同步是一個非常重要的問題。如果線程之間沒有正確地同步，就會導致程式出現一些意外的問題，例如： 競態條件（Race Condition）：多個線程同時修改同一個共用變數，可能會導致不可預測的結果，因為線程的執行順序是不確定的。 死鎖（Deadloc ...
一、為什麼要線程同步
在Linux 多線程編程中，線程同步是一個非常重要的問題。如果線程之間沒有正確地同步，就會導致程式出現一些意外的問題，例如：
- 競態條件（Race Condition）：多個線程同時修改同一個共用變數，可能會導致不可預測的結果，因為線程的執行順序是不確定的。
- 死鎖（Deadlock）：當兩個或多個線程互相等待對方釋放資源時，可能會導致死鎖，這會導致程式無法繼續執行。
- 活鎖（Livelock）：當多個線程相互響應對方的動作，而沒有任何進展時，可能會導致活鎖，這也會導致程式無法繼續執行。
- 兩個人在走路時需要相互讓路，兩個人都想讓對方先通過，但最終還是沒有人通過，這就是一種活鎖情況
接下來將介紹互斥鎖、條件變數、信號量、讀寫鎖這幾種線程同步方法，並使用C語言代碼示例說明其使用方法。
二、互斥鎖
互斥鎖是一種用於線程同步的鎖，用於保護共用資源。只有擁有該鎖的線程才能訪問共用資源，其他線程需要等待鎖被釋放後才能繼續執行。
在Linux環境下，我們可以使用pthread庫提供的互斥鎖函數來實現互斥鎖機制。以下是一些常用的互斥鎖函數：
| 函數名 | 描述 |
|---|---|
pthread_mutex_init |
初始化互斥鎖 |
pthread_mutex_lock |
加鎖互斥鎖 |
pthread_mutex_trylock |
嘗試加鎖互斥鎖 |
pthread_mutex_unlock |
解鎖互斥鎖 |
pthread_mutex_destroy |
銷毀互斥鎖 |
初始化互斥鎖
在使用互斥鎖之前，需要先初始化互斥鎖。pthread_mutex_init函數用於初始化一個互斥鎖。函數原型如下：
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);
其中，mutex參數是一個指向pthread_mutex_t結構體的指針，用於指定要初始化的互斥鎖；attr參數是一個指向pthread_mutexattr_t結構體的指針，用於指定互斥鎖的屬性，通常設置為NULL。
以下是一個初始化互斥鎖的例子：
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mutex;
int main()
{
// 初始化互斥鎖
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
// ...
// 銷毀互斥鎖
pthread_mutex_destroy(&mutex);
return 0;
}
加鎖互斥鎖
加鎖互斥鎖用於保證同一時刻只有一個線程能夠訪問共用資源。pthread_mutex_lock函數用於加鎖一個互斥鎖。函數原型如下：
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
其中，mutex參數是一個指向pthread_mutex_t結構體的指針，用於指定要加鎖的互斥鎖。
以下是一個加鎖互斥鎖的例子：
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mutex;
void* thread_func(void* arg)
{
// 加鎖互斥鎖
pthread_mutex_lock(&mutex);
// 訪問共用資源
// ...
// 解鎖互斥鎖
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return NULL;
}
int main()
{
// 初始化互斥鎖
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
// 創建線程
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
// ...
// 等待線程結束
pthread_join(tid, NULL);
// 銷毀互斥鎖
pthread_mutex_destroy(&mutex);
return 0;
}
嘗試加鎖互斥鎖
嘗試加鎖互斥鎖與加鎖互斥鎖的主要區別在於，如果互斥鎖已經被其他線程鎖定了，嘗試加鎖互斥鎖將不會阻塞當前線程，而是會立即返回一個錯誤代碼。函數原型如下：
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
其中，mutex參數是一個指向pthread_mutex_t結構體的指針，用於指定要嘗試加鎖的互斥鎖。
以下是一個嘗試加鎖互斥鎖的例子：
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mutex;
void* thread_func(void* arg)
{
// 嘗試加鎖互斥鎖
int ret = pthread_mutex_trylock(&mutex);
if (ret == 0) {
// 訪問共用資源
// ...
// 解鎖互斥鎖
pthread_mutex_unlock(&mutex);
} else {
// 互斥鎖已經被其他線程鎖定了
// ...
}
return NULL;
}
int main()
{
// 初始化互斥鎖
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
// 創建線程
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
// ...
// 等待線程結束
pthread_join(tid, NULL);
// 銷毀互斥鎖
pthread_mutex_destroy(&mutex);
return 0;
}
解鎖互斥鎖
解鎖互斥鎖用於釋放已經鎖定的互斥鎖。pthread_mutex_unlock函數用於解鎖一個互斥鎖。函數原型如下：
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
其中，mutex參數是一個指向pthread_mutex_t結構體的指針，用於指定要解鎖的互斥鎖。
以下是一個解鎖互斥鎖的例子：
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mutex;
void* thread_func(void* arg)
{
// 加鎖互斥鎖
pthread_mutex_lock(&mutex);
// 訪問共用資源
//
// 解鎖互斥鎖
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return NULL;
}
銷毀互斥鎖
在不再需要使用互斥鎖時，需要將互斥鎖銷毀。pthread_mutex_destroy函數用於銷毀一個互斥鎖。函數原型如下：
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
其中，mutex參數是一個指向pthread_mutex_t結構體的指針，用於指定要銷毀的互斥鎖。
以下是一個銷毀互斥鎖的例子：
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mutex;
int main()
{
// 初始化互斥鎖
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
// ...
// 銷毀互斥鎖
pthread_mutex_destroy(&mutex);
return 0;
}
示常式序
下麵是一個簡單的示常式序，演示瞭如何使用互斥鎖來同步兩個線程的訪問。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mutex;
int shared_data = 0;
void *thread_func(void *arg)
{
int i;
for (i = 0; i < 1000000; i++) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
shared_data++;
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
return NULL;
}
int main()
{
pthread_t thread1, thread2;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
pthread_create(&thread1, NULL, thread_func, NULL);
pthread_create(&thread2, NULL, thread_func, NULL);
pthread_join(thread1, NULL);
pthread_join(thread2, NULL);
pthread_mutex_destroy(&mutex);
printf("Shared data: %d\n", shared_data);
return 0;
}
在這個程式中，thread_func函數是兩個線程執行的函數，它會對shared_data變數進行1000000次加一操作。
為了確保多個線程不會同時訪問shared_data變數，我們使用了一個互斥鎖。當一個線程要訪問shared_data變數時，它會調用pthread_mutex_lock函數來加鎖。如果鎖已經被其他線程持有，那麼這個線程就會被阻塞，直到鎖被釋放為止。當線程完成對shared_data變數的操作後，它會調用pthread_mutex_unlock函數來釋放鎖。
在這個程式執行完畢後，我們可以通過列印shared_data變數的值來檢查程式是否正確地同步了兩個線程的訪問。如果程式正確地同步了線程的訪問，那麼shared_data變數的值應該是2000000。
