概念

互斥鎖（Mutex，mutual exclusion的縮寫 ）是一種用于實(shí)現(xiàn)臨界區(qū)保護(hù)的同步原語，目的是確保在任意時(shí)刻，只有一個(gè)線程或進(jìn)程能夠訪問特定的共享資源，防止數(shù)據(jù)競爭和不一致性 。臨界區(qū)是程序中訪問共享資源的代碼片段，線程在進(jìn)入臨界區(qū)前獲取互斥鎖，退出時(shí)釋放鎖，以此保證同一時(shí)間只有一個(gè)線程能執(zhí)行該代碼段。

操作

• 鎖定（Lock）：線程進(jìn)入臨界區(qū)前嘗試獲取互斥鎖。若鎖已被其他線程持有，當(dāng)前線程將被阻塞，直到鎖可用。
• 解鎖（Unlock）：線程退出臨界區(qū)后釋放持有的互斥鎖，使其他等待線程可獲取該鎖。

實(shí)現(xiàn)方式

• 硬件實(shí)現(xiàn)：
  • 在單處理器系統(tǒng)中，可通過關(guān)閉中斷防止上下文切換，確保臨界區(qū)操作的原子性，但此方法不適用于多處理器系統(tǒng)。
  • 在多處理器環(huán)境下，常利用原子操作，如測試并設(shè)置（Test - and - Set）或比較并交換（Compare - and - Swap）實(shí)現(xiàn)互斥鎖。這些操作由硬件支持，能在一個(gè)原子操作中完成鎖狀態(tài)的檢查和設(shè)置。
• 軟件實(shí)現(xiàn)：缺乏硬件支持時(shí)，可使用軟件算法實(shí)現(xiàn)互斥鎖，如Dekker算法和Peterson算法 。但這些算法需頻繁檢查共享變量狀態(tài)，可能導(dǎo)致忙等待，浪費(fèi)CPU資源。

使用注意事項(xiàng)

• 死鎖：多個(gè)線程若以不同順序獲取多個(gè)鎖，可能導(dǎo)致死鎖。比如線程A持有鎖1等待鎖2，線程B持有鎖2等待鎖1，雙方都無法繼續(xù)執(zhí)行。避免死鎖可確保所有線程按相同順序獲取鎖，或采用嘗試鎖定機(jī)制，無法獲取鎖時(shí)采取適當(dāng)措施。
• 優(yōu)先級反轉(zhuǎn)：高優(yōu)先級線程等待低優(yōu)先級線程釋放鎖，會使系統(tǒng)性能下降?？墒褂脙?yōu)先級繼承協(xié)議，讓低優(yōu)先級線程持有鎖時(shí)臨時(shí)提升優(yōu)先級。
• 鎖的粒度：鎖粒度過大降低系統(tǒng)并發(fā)性能，粒度過小則增加鎖管理開銷，需依具體情況選擇合適粒度。

Java代碼示例

在Java中，可通過java.util.concurrent.locks.ReentrantLock類實(shí)現(xiàn)互斥鎖功能，示例如下：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

class SharedResource {
    private int count = 0;
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void increment() {
        lock.lock(); // 加鎖
        try {
            count++;
        } finally {
            lock.unlock(); // 解鎖
        }
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

class MyThread extends Thread {
    private SharedResource sharedResource;

    MyThread(SharedResource sharedResource) {
        this.sharedResource = sharedResource;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            sharedResource.increment();
        }
    }
}

public class MutexExample {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SharedResource sharedResource = new SharedResource();
        MyThread thread1 = new MyThread(sharedResource);
        MyThread thread2 = new MyThread(sharedResource);

        thread1.start();
        thread2.start();

        thread1.join();
        thread2.join();

        System.out.println("Final count: " + sharedResource.getCount());
    }
}

上述代碼中，ReentrantLock實(shí)現(xiàn)互斥鎖。SharedResource類有共享變量count ，increment方法中先調(diào)用lock.lock()加鎖，確保同一時(shí)刻只有一個(gè)線程能執(zhí)行count++操作，操作完成后在finally塊中用lock.unlock()解鎖，保證鎖一定能被釋放。MyThread類的線程對共享資源進(jìn)行操作，main方法創(chuàng)建兩個(gè)線程并啟動，最后輸出共享變量最終值。