互斥锁

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简介

在多任务编程中，互斥锁（也称为互斥锁）是用于防止多个线程或过程同时拥有共享资源的基本同步函数。“互斥”一词表示“互斥”。

在本文中，我们将探讨互斥锁的组件、类型（包括示例）、用例以及实现示例。

什么是互斥锁？

互斥锁通过限制可以同时获取锁的线程或进程数量来实现互斥。在访问共享资源之前，单个线程或过程必须首先尝试获取该资源的互斥锁。如果该锁正被另一个线程或过程持有，则请求的线程或过程将被挂起并置于等待状态，直到该锁变为可用。在获取锁后，线程或过程可以访问共享资源。完成后，它释放该锁，以便其他线程或过程可以获取它。

互斥锁的组件

下面我们讨论互斥锁的一些主要组件。

互斥变量 - 互斥变量用于表示锁。它是一个数据结构，维护锁的状态并允许线程或进程获取和释放它。

锁获取 - 线程或进程可以通过请求来尝试获取锁。如果锁可用，则请求线程或进程将获得锁的所有权。否则，它将进入等待状态，直到锁可用。

锁释放 - 线程或过程完成使用共享资源后，它会释放锁，允许其他线程或进程获取它。

互斥锁的类型

互斥锁有多种形式，提供不同级别的功能和行为。以下是几种常用的互斥锁类型：

递归互斥锁

递归互斥锁允许多次获取锁而不会阻塞操作系统或过程。它跟踪之前获取锁的次数，并且需要相同次数的释放才能完全解锁。

示例

考虑一个数据结构，其中存在一个树状表示的文件目录结构。树中的每个节点代表一个目录，并且多个线程同时遍历树以执行不同的操作。使用递归互斥锁可以防止冲突。一个线程遍历一个目录节点，获取锁，执行其操作，然后递归地获取锁以进入子目录。递归互斥锁允许多次获取相同的锁而不会阻塞线程，从而确保正确的遍历和同步。

错误检查互斥锁

错误检查互斥锁在锁操作期间执行额外的错误检查。它通过防止循环锁获取来确保应用程序或过程不会获取它当前已经持有的互斥锁。

示例

考虑一个多线程程序，其中多个过程更新一个共享的公共计数器。该计数器由互斥锁保护以避免冲突和竞争条件。如果一个线程意外地尝试获取它当前已经持有的互斥锁，则会发生错误。错误检查互斥锁允许程序员检测到此类编码错误并快速修复。

定时互斥锁

使用定时互斥锁，算法或过程可以在预定时间内尝试获取锁。如果在分配的时间内锁无法获取，则获取操作将失败，并且线程/过程可以相应地做出反应。

示例

考虑一个实时系统，其中有多个操作或线程需要访问有限数量的固定资源。每个任务都需要特定的资源才能完成。但是，如果任务无法在合理的时间内获取所需的资源，则可能需要执行不同的操作或报告错误。通过使用定时互斥锁，每个任务都可以尝试在特定时间内获取资源。如果在分配的时间内资源不可用，则根据超时情况，当前任务可以继续使用备用方法或采取必要的措施。

优先级继承互斥锁

优先级继承互斥锁（也称为优先级上限互斥锁）是一种特殊的互斥锁，有助于减少优先级反转问题。当低优先级线程或过程持有锁，而高优先级线程或过程需要该锁时，优先级继承互斥锁会临时提升低优先级线程的优先级到等待释放锁的最高优先级线程的优先级。

示例

考虑一个实时系统，其中多个线程以不同的优先级运行。这些过程可以访问受互斥锁保护的共享资源。优先级继承互斥锁可用于避免优先级反转，优先级反转是指低优先级线程通过持有锁阻塞高优先级线程的情况。互斥锁通过临时将低优先级线程的优先级提高到等待释放锁的最高优先级线程的优先级，来确保最高优先级线程能够立即访问资源。

读写互斥锁

读写锁是一种同步机制，允许多个线程或过程同时访问相同的资源，但在写入操作期间在它们之间实施互斥，但它本身并不是互斥锁的一个实例。

示例

在一个实时在线视频实现中，一个线程负责将新帧写入给定的缓冲区，而多个线程同时读取该缓冲区中的数据。可以使用读写锁来允许同时读取但保留写入。多个读取线程可以同时获取读锁以无限制地访问数据结构。但是，写入线程仅在需要修改数据结构时获取写锁，确保在更新期间没有其他线程能够读取或写入。

互斥锁的用例

我们现在将讨论互斥锁的一些用例。

共享资源保护 - 互斥锁通常用于在多线程或多进程环境中保护共享资源。它们确保一次只有一个线程或进程可以访问共享资源，从而防止数据损坏和竞争条件。

临界区 - 互斥锁用于在程序中定义临界区，一次只有一个线程可以在临界区内执行代码。这确保了共享数据的完整性并防止并发访问问题。

同步 - 互斥锁允许线程或进程之间进行同步，使它们能够以受控的方式协调其操作并访问共享资源。它们确保某些操作以原子方式执行，避免冲突并确保一致性。

避免死锁 - 互斥锁可用于防止死锁情况，在这种情况下，多个线程或进程无限期地等待彼此持有的资源。通过遵循正确的锁定协议并避免循环依赖关系，可以避免死锁情况。

示例

让我们在下面探索一个在 Python 中实现互斥锁的示例。

在这个示例中，创建了多个线程来将共享资源(shared_resource)增加 1。修改共享资源的关键部分受互斥锁(mutex)保护。每个线程在进入关键部分之前获取锁，并在完成关键部分后释放锁。互斥锁确保一次只有一个线程可以修改共享资源，防止出现竞争条件并确保最终结果的正确性。

import threading

# Shared resource
shared_resource = 0

# Mutex lock
mutex = threading.Lock()

# Function to increment the shared resource
def increment():
   global shared_resource
   for _ in range(100000):
      # Acquire the lock
      mutex.acquire()
        
      # Critical section
      shared_resource += 1
        
      # Release the lock
      mutex.release()

# Create multiple threads
threads = []
for _ in range(5):
   thread = threading.Thread(target=increment)
   threads.append(thread)
# Start the threads
for thread in threads:
   thread.start()

# Wait for all threads to complete
for thread in threads:
   thread.join()

# Print the final value of the shared resource
print("Shared Resource:", shared_resource)

输出

Shared Resource: 500000

互斥锁的优点

互斥锁通过多种方式使多任务处理受益：

• 互斥 − 互斥锁确保一次只有一个线程或进程可以持有锁，防止出现竞争条件，并确保在多线程/多进程场景中具有可预测的行为。

• 同步 − 互斥锁允许程序和线程协调对共享资源的访问，防止未经授权的访问，并在应用程序或进程尝试获取已锁定的互斥锁时启用受控访问。

• 简单易移植 − 互斥锁在各种编程语言和操作系统平台上得到广泛支持，并且相对易于使用。

• 效率 − 互斥锁通常在竞争较少的情况下运行良好，在锁未被争用时产生最小的开销。

互斥锁的缺点

互斥锁通过多种方式对多任务处理产生不利影响：

• 潜在死锁− 互斥锁使用不当可能导致死锁，多个线程或进程无限期地等待永远不会释放的锁。

• 优先级反转− 当高优先级线程或进程被阻塞，等待低优先级线程或进程持有的锁时，可能会发生优先级反转。

• 资源利用率− 如果线程或进程经常被阻塞以等待锁，则互斥锁可能导致资源利用率低下。

结论

总而言之，互斥锁对于并发编程中基本功能的同步很有用。它们通过一次只允许单个线程或过程使用共享资源，从而实现互斥、同步并帮助防止竞争条件。互斥锁提供了一种标准化的同步方法，易于操作且被广泛接受。