📚 课程目录第3章线程同步之互斥锁

3. 线程同步之互斥锁

任务目标

创建两个线程，分别对同一个全局计数器执行多次递增操作。由于递增操作并非原子操作，多线程并发访问会导致数据丢失。使用Zephyr的互斥锁（mutex）保护临界区，确保计数器最终值等于两个线程递增次数之和。

环境依赖

本案例基于Zephyr RTOS，需要以下配置：

开发板：任意支持Zephyr的开发板（如qemu_x86、nrf52840dk_nrf52840）
在prj.conf中启用互斥锁支持：CONFIG_MUTEX=y

关键完整代码

#include <zephyr/kernel.h>
#include <zephyr/sys/printk.h>

/* 共享资源：全局计数器 */
static int shared_counter;

/* 互斥锁定义 */
static struct k_mutex counter_mutex;

/* 线程A：递增1000次 */
void thread_a(void *arg1, void *arg2, void *arg3)
{
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        k_mutex_lock(&counter_mutex, K_FOREVER);
        shared_counter++;   /* 临界区 */
        k_mutex_unlock(&counter_mutex);
    }
}

/* 线程B：递增1000次 */
void thread_b(void *arg1, void *arg2, void *arg3)
{
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        k_mutex_lock(&counter_mutex, K_FOREVER);
        shared_counter++;   /* 临界区 */
        k_mutex_unlock(&counter_mutex);
    }
}

/* 线程栈与线程定义 */
K_THREAD_STACK_DEFINE(stack_a, 1024);
K_THREAD_STACK_DEFINE(stack_b, 1024);
struct k_thread thread_a_data;
struct k_thread thread_b_data;

void main(void)
{
    /* 初始化互斥锁 */
    k_mutex_init(&counter_mutex);

    /* 创建两个线程，优先级相同 */
    k_thread_create(&thread_a_data, stack_a, K_THREAD_STACK_SIZEOF(stack_a),
                    thread_a, NULL, NULL, NULL, 5, 0, K_NO_WAIT);
    k_thread_create(&thread_b_data, stack_b, K_THREAD_STACK_SIZEOF(stack_b),
                    thread_b, NULL, NULL, NULL, 5, 0, K_NO_WAIT);

    /* 等待两个线程执行完毕 */
    k_thread_join(&thread_a_data, K_FOREVER);
    k_thread_join(&thread_b_data, K_FOREVER);

    /* 打印最终结果 */
    printk("Final counter value: %d\n", shared_counter);
    printk("Expected value: 2000\n");
}

运行与验证

将上述代码保存为项目主文件（如src/main.c），并确保prj.conf中包含CONFIG_MUTEX=y。
在Zephyr项目目录下执行编译：
```
west build -b qemu_x86 .
```
运行：
```
west build -t run
```

验证方法：观察串口输出。若程序正确执行，最终打印的Final counter value应为2000，与Expected value一致。若去掉互斥锁（注释掉k_mutex_lock/k_mutex_unlock），由于竞争条件，最终值通常小于2000，以此对比验证互斥锁的保护效果。

关键说明

互斥锁的初始化必须在任何线程尝试加锁之前完成，本案例在main()中调用k_mutex_init()。
K_FOREVER表示线程会一直等待直到获得锁，适用于本案例中锁竞争时间极短的场景。
两个线程优先级相同（均为5），Zephyr的时间片轮转调度会使它们交替执行，从而暴露无锁时的竞争问题。
本案例仅演示互斥锁的基本用法，实际工程中若临界区极短，可考虑使用原子操作或自旋锁以获得更好性能。