互斥锁（相互排斥）

Mutex（互斥）定义

Mutex，即“互斥”的缩写，是一种编程构造，确保一次只有一个进程可以访问特定资源或代码段。它在软件开发中常用于防止多个线程同时修改共享数据，这可能导致程序的不可预测和错误行为。

关键概念

• Mutex提供了一种同步多线程应用程序中共享资源访问的方法，通过允许一个线程独占访问并阻止其他线程。
• 它们通常使用硬件支持或操作系统原语实现，例如原子操作或系统调用。
• Mutex可以在单个进程内创建和使用，或在并发系统中多个进程之间共享。

Mutex的工作原理

当多个线程或进程需要访问共享资源时，它们必须首先获取关联的Mutex。如果另一个线程已经获取了Mutex，则请求的线程将被阻塞，直到Mutex被释放。一旦不再需要资源，线程释放Mutex，允许其他线程获取。

为了确保正确使用Mutex，应遵循以下指南：

1. 在访问共享资源之前始终获取Mutex。
2. 在完成对共享资源的操作后释放Mutex。
3. 避免长时间持有Mutex以减少争用并提高性能。
4. 以一致的顺序获取和释放Mutex，以避免死锁。

示例

示例1：

考虑一个允许多个线程从同一账户取款的银行应用程序。为了防止竞争条件并确保账户余额正确更新，可以使用Mutex：

```python class BankAccount: def init(self, balance): self.balance = balance self.mutex = Mutex()

def withdraw(self, amount):
    self.mutex.acquire()
    if self.balance >= amount:
        self.balance -= amount
        print("Withdrawal successful. Remaining balance:", self.balance)
    else:
        print("Insufficient balance.")
    self.mutex.release()

account = BankAccount(1000)

```

在此示例中，producer函数获取Mutex，将一个项目入队到共享queue中，然后释放Mutex。同样，consumer函数获取Mutex，检查queue是否不为空，出队一个项目，处理它，然后释放Mutex。

附加说明

• Mutex是并发编程中的基本同步原语，广泛应用于各类应用程序中，包括操作系统、数据库管理系统和网络协议。
• 虽然Mutex提供了一种简单有效的方法来安全管理共享资源，但不正确的使用可能导致如死锁和优先级反转等问题。
• 死锁发生在多个线程无限期地等待其他线程释放它们所持有的Mutex，导致系统无响应。
• 优先级反转可能发生在低优先级线程持有Mutex时阻止高优先级线程执行，导致优先级反转和潜在的性能下降。

相关术语

• Semaphore：在多线程环境中用于管理对共享资源访问的另一种同步机制。
• Race Condition：程序结果取决于多个线程或进程访问共享数据的相对时间。
• Concurrency：程序的不同部分或单位可以无序或部分顺序执行，而不影响最终结果的能力。