互斥锁与信号量

介绍

在多线程编程中，多个线程可能会同时访问共享资源，这可能导致数据不一致或竞态条件（Race Condition）的问题。为了解决这些问题，操作系统提供了两种重要的同步机制：互斥锁（Mutex） 和 信号量（Semaphore）。

互斥锁：用于确保同一时间只有一个线程可以访问共享资源。
信号量：用于控制对多个共享资源的访问，或者用于线程间的同步。

接下来，我们将逐步讲解这两种机制的原理、使用方法以及实际应用场景。

互斥锁（Mutex）

什么是互斥锁？

互斥锁是一种用于保护共享资源的同步机制。它的核心思想是：当一个线程获得了互斥锁后，其他线程必须等待该线程释放锁，才能继续访问共享资源。

互斥锁的使用

以下是一个使用互斥锁的简单示例（以 Python 为例）：

python
import threading

# 共享资源
counter = 0
# 创建互斥锁
lock = threading.Lock()

def increment_counter():
    global counter
    for _ in range(100000):
        lock.acquire()  # 获取锁
        counter += 1
        lock.release()  # 释放锁

# 创建两个线程
thread1 = threading.Thread(target=increment_counter)
thread2 = threading.Thread(target=increment_counter)

# 启动线程
thread1.start()
thread2.start()

# 等待线程完成
thread1.join()
thread2.join()

print(f"Final counter value: {counter}")

输出：

Final counter value: 200000

在这个例子中，如果没有互斥锁，两个线程可能会同时修改 counter，导致最终结果小于 200000。通过使用互斥锁，我们确保了每次只有一个线程可以修改 counter。

信号量（Semaphore）

什么是信号量？

信号量是一种更通用的同步机制，它可以用来控制对多个共享资源的访问。信号量维护了一个计数器，表示当前可用的资源数量。线程可以通过 acquire() 减少计数器，通过 release() 增加计数器。

信号量的使用

以下是一个使用信号量的示例（以 Python 为例）：

python
import threading

# 创建信号量，初始值为 2
semaphore = threading.Semaphore(2)

def access_resource(thread_id):
    print(f"Thread {thread_id} is waiting to access the resource")
    semaphore.acquire()
    print(f"Thread {thread_id} is accessing the resource")
    # 模拟资源访问
    threading.Event().wait(1)
    print(f"Thread {thread_id} is releasing the resource")
    semaphore.release()

# 创建多个线程
threads = []
for i in range(5):
    thread = threading.Thread(target=access_resource, args=(i,))
    threads.append(thread)
    thread.start()

# 等待所有线程完成
for thread in threads:
    thread.join()

输出：

Thread 0 is waiting to access the resource
Thread 0 is accessing the resource
Thread 1 is waiting to access the resource
Thread 1 is accessing the resource
Thread 2 is waiting to access the resource
Thread 3 is waiting to access the resource
Thread 4 is waiting to access the resource
Thread 0 is releasing the resource
Thread 2 is accessing the resource
Thread 1 is releasing the resource
Thread 3 is accessing the resource
Thread 2 is releasing the resource
Thread 4 is accessing the resource
Thread 3 is releasing the resource
Thread 4 is releasing the resource

在这个例子中，信号量的初始值为 2，表示最多允许两个线程同时访问资源。其他线程必须等待信号量释放后才能继续。