【Linux】从互斥原理到C++ RAII封装实践
📢博客主页：https://blog.csdn.net/2301_779549673
📢欢迎点赞 👍 收藏 ⭐留言 📝 如有错误敬请指正！
📢本文由 JohnKi 原创，首发于 CSDN🙉
📢未来很长，值得我们全力奔赴更美好的生活✨
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
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~
