Linux 線程同步：互斥量 詳細指南與實戰

什麼是互斥量

互斥量是多線程編程中實現同步訪問的核心機制，它允許程式鎖定特定代碼段或共享資源，確保同一時刻僅有一個線程能夠訪問。本質上，互斥量與信號量同屬 P/V 操作體系：進入臨界區前加鎖（P 操作），退出後解鎖（V 操作）。

核心 API 速查

實戰案例：主線程輸入、子線程轉大寫

需求：主線程持續從標準輸入讀取字符串，輸入 "end" 終止；子線程將輸入轉為大寫並輸出。使用互斥量保護共享緩衝區，信號量協調線程切換。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>

void *threadFunc(void *arg);
pthread_mutex_t work_mutex;
sem_t sem;

#define WORK_SIZE 1024
char work_area[WORK_SIZE];

int main() {
    int res;
    pthread_t thread1;
    void *threadRes;

    // 初始化互斥量
    res = pthread_mutex_init(&work_mutex, NULL);
    if (res != 0) { perror("Mutex init failed"); exit(EXIT_FAILURE); }

    // 初始化信號量（初值 0）
    res = sem_init(&sem, 0, 0);
    if (res != 0) { perror("Semaphore init failed"); exit(EXIT_FAILURE); }

    // 創建子線程
    res = pthread_create(&thread1, NULL, threadFunc, NULL);
    if (res != 0) { perror("Thread create failed"); exit(EXIT_FAILURE); }

    printf("Input some text. Enter 'end' to finish.\n");
    pthread_mutex_lock(&work_mutex);
    while (strncmp(work_area, "end", 3) != 0) {
        fgets(work_area, WORK_SIZE, stdin);
        pthread_mutex_unlock(&work_mutex);
        sem_wait(&sem); // 等待子線程處理完畢

        pthread_mutex_lock(&work_mutex);
    }
    pthread_mutex_unlock(&work_mutex);

    printf("\nWaiting for thread to finish...\n");
    res = pthread_join(thread1, &threadRes);
    if (res != 0) { perror("Thread join failed"); exit(EXIT_FAILURE); }

    printf("Thread joined.\n");
    pthread_mutex_destroy(&work_mutex);
    sem_destroy(&sem);
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

void *threadFunc(void *arg) {
    pthread_mutex_lock(&work_mutex);
    while (strncmp(work_area, "end", 3) != 0) {
        if (work_area[0] != '\0') {
            for (int i = 0; work_area[i] != '\0'; ++i) {
                if (work_area[i] >= 'a' && work_area[i] <= 'z')
                    work_area[i] -= 'a' - 'A';
            }
            printf("After converted: %s\n", work_area);
            sem_post(&sem); // 通知主線程可繼續讀取
            memset(work_area, 0, sizeof(work_area));
        }
        pthread_mutex_unlock(&work_mutex);
        sleep(1);
        pthread_mutex_lock(&work_mutex);
    }
    pthread_mutex_unlock(&work_mutex);
    sem_post(&sem);
    pthread_exit(NULL);
}

關鍵點與避坑指南

• 鎖的粒度：僅保護共享緩衝區讀寫，避免長時間持有鎖（如 sleep() 在鎖外）。
• 信號量配合：互斥量保護數據，信號量同步步驟，二者分工明確。
• 死鎖風險：多鎖時需固定加鎖順序；本例僅單一互斥量，風較低。
• 邊界條件：strncmp 比較 "end" 需確保緩衝區以空字符結尾，fgets 保留換行符，實際項目中需去除。

多線程同步之難，在於人腦天然單線程思維，需通過大量實踐建立並發直覺。「左手畫圓右手畫方」的協調，唯有多思、多寫、多填坑方能精進。