互斥锁的概念

互斥锁（Mutex）是一种用于多线程编程的同步原语（synchronization primitive），用于实现线程之间的互斥访问共享资源。互斥锁提供了一种机制，确保在任何给定时间点只有一个线程可以访问临界区（Critical Section）。

临界区是指一段代码或数据，它被多个线程共享，并且在任何给定时间只能由一个线程执行或访问，以避免竞争条件（Race Condition）和数据不一致的问题。

互斥锁具备两种状态：已锁定（locked）和未锁定（unlocked）。当一个线程获得了互斥锁的锁定状态时，其他试图获取该互斥锁的线程将被阻塞，直到持有锁的线程释放互斥锁。

互斥锁的常见操作包括两个主要函数：

1. 加锁（Lock）：当一个线程进入临界区前，通过调用加锁函数来获取互斥锁的锁定状态。如果互斥锁已经被其他线程锁定，那么当前线程将被阻塞，直到互斥锁可用。

2. 解锁（Unlock）：当一个线程执行完临界区的代码后，通过调用解锁函数来释放互斥锁，使其变为未锁定状态，从而允许其他线程获取该锁。

互斥锁的作用是确保在临界区内只有一个线程在执行，从而保证共享资源的正确性和一致性。当多个线程需要访问共享资源时，通过使用互斥锁来对临界区进行保护，可以有效避免数据竞争和并发访问问题，保证线程安全性。

需要注意的是，互斥锁并不保证公平性，即无法确保线程获取锁的顺序。因此，在编写多线程程序时，应谨慎设计临界区的大小和持锁时间，以避免潜在的性能问题和死锁（Deadlock）情况的发生。

互斥锁的函数

使用互斥锁（Mutex）需要调用一系列相关函数来进行初始化、加锁、解锁和销毁等操作。下面是互斥锁相关函数的详细解释：

1. pthread_mutex_init(pthread_mutex_t* mutex, const pthread_mutexattr_t* attr)

   • 该函数用于初始化互斥锁。
   • 参数：
     • mutex：指向要初始化的互斥锁变量的指针。
     • attr：指向互斥锁属性的指针，通常为NULL，表示使用默认属性。
   • 返回值：若成功则返回0，否则返回错误码。

2. pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t* mutex)

   • 该函数用于加锁互斥锁。
   • 参数：
     • mutex：指向要加锁的互斥锁变量的指针。
   • 返回值：若成功则返回0，否则返回错误码。如果互斥锁已经被锁定，调用线程将被阻塞，直到互斥锁可用。

3. pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t* mutex)

   • 该函数用于解锁互斥锁。
   • 参数：
     • mutex：指向要解锁的互斥锁变量的指针。
   • 返回值：若成功则返回0，否则返回错误码。如果调用该函数时线程没有持有互斥锁，将导致未定义的行为。

4. pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t* mutex)

   • 该函数尝试加锁互斥锁，如果互斥锁已经被锁定，则立即返回失败，不会阻塞线程。
   • 参数：
     • mutex：指向要尝试加锁的互斥锁变量的指针。
   • 返回值：若成功则返回0，表示已经获得互斥锁；若失败则返回EBUSY，表示互斥锁已经被锁定。

5. pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t* mutex)

   • 该函数用于销毁互斥锁。
   • 参数：
     • mutex：指向要销毁的互斥锁变量的指针。
   • 返回值：若成功则返回0，否则返回错误码。销毁一个正在被其他线程锁定的互斥锁是未定义的行为。

这些函数都需要包含头文件pthread.h。在使用互斥锁时，通常需要定义一个pthread_mutex_t类型的变量作为互斥锁对象，并在适当的位置调用上述函数来进行初始化、加锁、解锁和销毁操作，以确保线程的互斥访问和共享资源的正确性。

示例代码

以下是一个使用互斥锁实现线程互斥的示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>

// 全局变量作为共享资源
int shared_variable = 0;
pthread_mutex_t mutex; // 定义互斥锁

// 线程函数
void* thread_function(void* arg) {
    int i;
    for (i = 0; i < 1000000; i++) {
        pthread_mutex_lock(&mutex); // 加锁

        // 访问共享资源
        shared_variable++;
        
        pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread1, thread2;
    
    // 初始化互斥锁
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    // 创建线程
    pthread_create(&thread1, NULL, thread_function, NULL);
    pthread_create(&thread2, NULL, thread_function, NULL);
    
    // 等待线程结束
    pthread_join(thread1, NULL);
    pthread_join(thread2, NULL);

    // 销毁互斥锁
    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    // 输出结果
    printf("Shared variable value: %d\n", shared_variable);

    return 0;
}

在上面的示例中，使用了pthread_mutex_t类型的变量mutex来表示互斥锁。在thread_function线程函数中，首先使用pthread_mutex_lock函数对互斥锁进行加锁操作，以确保只有一个线程可以访问临界区（在这里是shared_variable）。然后，在访问完共享资源后，使用pthread_mutex_unlock函数对互斥锁进行解锁操作。

在main函数中，创建了两个线程thread1和thread2，它们会并发地访问临界区。最后，使用pthread_join函数等待线程结束，并在程序最后输出shared_variable的值。

通过使用互斥锁，可以确保线程对共享资源的互斥访问，从而避免竞争条件和数据不一致的问题。