【Linux】从互斥原理到C++ RAII封装实践

news2025/3/15 17:42:09

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文章目录

  • 📢前言
  • 🏳️‍🌈一、从场景看互斥:为什么需要锁?
  • 🏳️‍🌈二、互斥锁核心概念图解
    • 2.1 临界区与非临界区
    • 2. 2 进程线程间的互斥相关背景概念
  • 🏳️‍🌈三、Linux互斥锁原理剖析
    • 3.2 初始化互斥量
    • 3.3 销毁互斥量
    • 3.3 pthread_mutex 底层实现
  • 🏳️‍🌈四、C++ RAII封装实战
    • 4.1 基础互斥类(Mutex)
    • 4.2 守卫锁(LockGuard)
  • 🏳️‍🌈五、完整代码
    • 5.1 Mutex.hpp
    • 5.2 Mutex.cc
    • 5.3 Makefile
  • 👥总结


📢前言

紧接上回的线程C++封装,这回笔者着重介绍一下互斥的原理和其必要性,并手把手使用C++封装一个RAII模型。

还有一点,笔者之后的封装都会使用之前博客中封装好的容器,需要的可以去仓库或者前面的博客中自取。

RAII 的核心思想是将资源的获取和初始化放在对象的构造函数中进行,而资源的释放放在对象的析构函数中进行。当对象被创建时,其构造函数会自动执行,从而完成资源的获取;当对象的生命周期结束时,其析构函数会被自动调用,从而完成资源的释放。这样,资源的生命周期就与对象的生命周期绑定在一起,利用 C++ 等语言的对象自动销毁机制来确保资源的正确释放。


🏳️‍🌈一、从场景看互斥:为什么需要锁?

假设你的银行账户余额是1000元,同时有两个线程执行转账操作:

  • ​线程A:存入200元 → balance += 200
  • ​线程B:取出300元 → balance -= 300
    无锁情况下可能的执行顺序:
线程A读取balance(1000) → 线程B读取balance(1000) → 
线程A写入1200 → 线程B写入700  
最终结果:700元(正确应为900元)

🏳️‍🌈二、互斥锁核心概念图解

2.1 临界区与非临界区

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void* thread_func(void* arg) {
    // 非临界区(可并发执行)
    prepare_data();  
    
    // 临界区(需互斥访问)
    pthread_mutex_lock(&mtx);
    update_shared_resource();  
    pthread_mutex_unlock(&mtx);
    
    // 非临界区(可并发执行)
    post_process();
}

关键特征:

🔵 ​非临界区:允许多线程并行(如图中绿色区域)
🔴 ​临界区:同一时刻仅一个线程执行(红色区域)

2. 2 进程线程间的互斥相关背景概念

  • 临界资源:多线程执行流共享的资源就叫做临界资源
  • 临界区:每个线程内部,访问临界资源的代码,就叫做临界区
  • 互斥:任何时刻,互斥保证有且只有一个执行流进入临界区,访问临界资源,通常对临界资源起保护作用
  • 原子性:(后面讨论如何实现):不会被任何调度机制打断的操作,该操作只有两态,要么完成,要么未完成

🏳️‍🌈三、Linux互斥锁原理剖析

核心操作流程:

sequenceDiagram
    participant 线程A
    participant 互斥锁
    participant 内核
    
    线程A->>互斥锁: pthread_mutex_lock()
    alt 锁空闲
        互斥锁-->>线程A: 立即获得锁
    else 锁被占
        线程A->>内核: 进入休眠队列
        内核-->>线程A: 唤醒并获取锁
    end
    线程A->>临界区: 执行操作
    线程A->>互斥锁: pthread_mutex_unlock()

3.2 初始化互斥量

方法一:静态分布

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

方法二:动态分布

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

mutex:要初始化的互斥量
attr:NULL

3.3 销毁互斥量

销毁互斥量需要注意:

  • 使用 PTHREAD_MUTEXINITIALIZER 初始化的互斥量不需要销毁
  • 不要销毁一个已经加锁的互斥量
  • 已经销毁的互斥量,要确保后面不会有线程再尝试加锁
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex)

互斥量加锁和解锁

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
返回值:成功返回0,失败返回错误号

调⽤ pthread_mutex_lock 时,可能会遇到以下情况:

  • 互斥量处于未锁状态,该函数会将互斥量锁定,同时返回成功
  • 发起函数调用时,其他线程已经锁定互斥量,或者存在其他线程同时申请互斥量,但没有竞争到互斥量,那么pthread lock调用会陷入阻塞(执行流被挂起),等待互斥量解锁。

3.3 pthread_mutex 底层实现

// 锁结构(简化为x86实现)
struct pthread_mutex {
    int __lock;          // 锁状态标识
    int __count;         // 递归锁计数器
    int __owner;         // 持有者线程ID
    int __kind;          // 锁类型标识
    // ... 其他字段
};

🏳️‍🌈四、C++ RAII封装实战

4.1 基础互斥类(Mutex)

// 互斥锁封装类(不可拷贝构造/赋值)
    class Mutex
    {
    public:
        // 禁止拷贝(保护系统锁资源)
        Mutex(const Mutex&) = delete;
        const Mutex& operator = (const Mutex&) = delete;

        // 构造函数:初始化POSIX互斥锁
        Mutex()
        {
            // 初始化互斥锁属性为默认值
            int n = ::pthread_mutex_init(&_lock, nullptr);
            (void)n; // 实际开发建议处理错误码
        }

        // 析构函数:销毁锁资源
        ~Mutex()
        {
            // 确保锁已处于未锁定状态
            int n = ::pthread_mutex_destroy(&_lock);
            (void)n; // 生产环境应检查返回值
        }

        // 加锁操作(阻塞直至获取锁)
        void Lock()
        {
            // 可能返回EDEADLK(死锁检测)等错误码
            int n = ::pthread_mutex_lock(&_lock);
            (void)n; // 简化处理,实际建议抛异常或记录日志
        }

        // 解锁操作(必须由锁持有者调用)
        void Unlock()
        {
            // 未持有锁时解锁将返回EPERM
            int n = ::pthread_mutex_unlock(&_lock);
            (void)n; 
        }

    private:
        pthread_mutex_t _lock; // 底层锁对象
    };

4.2 守卫锁(LockGuard)

守卫锁不是新的锁类型,而是对已有锁的自动化生命周期管理工具。这种设计模式完美契合图示中"Lock-unlock"边界需要严格匹配的核心诉求

守卫锁工作流程

sequenceDiagram
    participant 线程
    participant 守卫锁
    participant 互斥锁
    
    线程->>守卫锁: 创建LockGuard对象
    守卫锁->>互斥锁: 调用Lock()
    互斥锁-->>守卫锁: 获得锁
    线程->>临界区: 执行操作
    线程->>守卫锁: 对象离开作用域
    守卫锁->>互斥锁: 调用Unlock()
    互斥锁-->>其他线程: 释放锁资源

实现

// RAII锁守卫(自动管理锁生命周期)
    class LockGuard
    {
    public:
        // 构造时加锁(必须传入已初始化的Mutex引用)
        LockGuard(Mutex &mtx):_mtx(mtx)
        {
            _mtx.Lock(); // 进入临界区
        }

        // 析构时自动解锁(异常安全保证)
        ~LockGuard()
        {
            _mtx.Unlock(); // 离开作用域自动释放
        }

    private:
        Mutex &_mtx; // 引用方式持有,避免拷贝导致未定义行为
    };

🏳️‍🌈五、完整代码

5.1 Mutex.hpp

#pragma once
#include <iostream>
#include <pthread.h> // POSIX线程库头文件

namespace LockModule
{
    // 互斥锁封装类(不可拷贝构造/赋值)
    class Mutex
    {
    public:
        // 禁止拷贝(保护系统锁资源)
        Mutex(const Mutex&) = delete;
        const Mutex& operator = (const Mutex&) = delete;

        // 构造函数:初始化POSIX互斥锁
        Mutex()
        {
            // 初始化互斥锁属性为默认值
            int n = ::pthread_mutex_init(&_lock, nullptr);
            (void)n; // 实际开发建议处理错误码
        }

        // 析构函数:销毁锁资源
        ~Mutex()
        {
            // 确保锁已处于未锁定状态
            int n = ::pthread_mutex_destroy(&_lock);
            (void)n; // 生产环境应检查返回值
        }

        // 加锁操作(阻塞直至获取锁)
        void Lock()
        {
            // 可能返回EDEADLK(死锁检测)等错误码
            int n = ::pthread_mutex_lock(&_lock);
            (void)n; // 简化处理,实际建议抛异常或记录日志
        }

        // 解锁操作(必须由锁持有者调用)
        void Unlock()
        {
            // 未持有锁时解锁将返回EPERM
            int n = ::pthread_mutex_unlock(&_lock);
            (void)n; 
        }

    private:
        pthread_mutex_t _lock; // 底层锁对象
    };

    // RAII锁守卫(自动管理锁生命周期)
    class LockGuard
    {
    public:
        // 构造时加锁(必须传入已初始化的Mutex引用)
        LockGuard(Mutex &mtx):_mtx(mtx)
        {
            _mtx.Lock(); // 进入临界区
        }

        // 析构时自动解锁(异常安全保证)
        ~LockGuard()
        {
            _mtx.Unlock(); // 离开作用域自动释放
        }

    private:
        Mutex &_mtx; // 引用方式持有,避免拷贝导致未定义行为
    };
}

5.2 Mutex.cc

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

int ticket = 0;
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

void *route(void *arg)
{
    char *id = (char *)arg;
    while (1)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if (ticket > 0)
        {
            usleep(1000);
            printf("%s sells ticket:%d\n", id, ticket);
            ticket--;
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
        }
        else
        {
            printf("%s wait on cond!\n", id);
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex); //醒来的时候,会重新申请锁!!
            printf("%s 被叫醒了\n", id);
        }
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return nullptr;
}

int main(void)
{
    pthread_t t1, t2, t3, t4;

    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    pthread_create(&t1, NULL, route, (void *)"thread 1");
    pthread_create(&t2, NULL, route, (void *)"thread 2");
    pthread_create(&t3, NULL, route, (void *)"thread 3");
    pthread_create(&t4, NULL, route, (void *)"thread 4");

    int cnt = 10;

    while(true)
    {
        sleep(5);
        ticket += cnt;
        printf("主线程放票喽, ticket: %d\n", ticket);
        pthread_cond_signal(&cond);
    }


    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);
    pthread_join(t3, NULL);
    pthread_join(t4, NULL);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
}

5.3 Makefile

bin=testMutex
cc=g++
src=$(wildcard *.cc)
obj=$(src:.cc=.o)

$(bin):$(obj)
	$(cc) -o $@ $^ -lpthread
%.o:%.cc
	$(cc) -c $< -std=c++17

.PHONY:clean
clean:
	rm -f $(bin) $(obj)

.PHONY:test
test:
	echo $(src)
	echo $(obj)

👥总结

本篇博文对 从互斥原理到C++ RAII封装实践 做了一个较为详细的介绍,不知道对你有没有帮助呢

觉得博主写得还不错的三连支持下吧!会继续努力的~

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