操作系统知识速记：实现线程同步的方式

操作系统知识速记：实现线程同步的方式

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在当今的多核和多线程世界里，线程同步是确保数据一致性和提高系统性能的关键。

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互斥锁（Mutex）

互斥锁是实现线程安全的基础。它通过确保同一时间只有一个线程能访问共享资源来防止数据竞争。以下是互斥锁的基本示例：

pthread_mutex_t lock;
pthread_mutex_lock(&lock);
// 访问共享资源
pthread_mutex_unlock(&lock);

在这个例子中，当一个线程获得锁时，其他线程必须等待，直到锁被释放。互斥锁适用于要求严格的资源管理场景。

信号量（Semaphore）

信号量是一种更灵活的同步机制，允许多个线程同时访问共享资源。信号量通过维护一个计数器来控制线程的访问。以下是信号量的基本用法：

sem_t sem;
sem_wait(&sem); // 值减一，若小于0则阻塞
// 访问共享资源
sem_post(&sem); // 值加一

在此示例中，sem_wait会阻塞直到其他线程释放资源，适合用于多生产者-多消费者模型的场景。

条件变量（Condition Variable）

条件变量使得线程可以在某条件不满足时挂起，并在条件满足时被其他线程通知。使用条件变量的基本步骤如下：

pthread_cond_t cond;
pthread_mutex_t lock;
// 等待条件
pthread_mutex_lock(&lock);
pthread_cond_wait(&cond, &lock);
pthread_mutex_unlock(&lock);
// 条件满足后通知
pthread_cond_signal(&cond);

在这里，线程会等待直到被其他线程通过pthread_cond_signal通知。条件变量适合于需要动态响应的场景，如生产者-消费者问题。

读写锁（Read-Write Lock）

读写锁允许多个线程同时读取共享数据，但在写线程进行写操作时，其他读写线程必须等待。这种锁的使用场景主要是大多数操作为读的情况。示例如下：

pthread_rwlock_t rwlock;
pthread_rwlock_rdlock(&rwlock); // 读锁
// 读取共享资源
pthread_rwlock_unlock(&rwlock); // 解锁

pthread_rwlock_wrlock(&rwlock); // 写锁
// 写共享资源
pthread_rwlock_unlock(&rwlock); // 解锁

这样设计可以在同时存在多个读者的情况下提高性能。

自旋锁（Spinlock）

自旋锁是一种轻量级锁，适用于持锁时间极短的场景。获取自旋锁的线程不会进入睡眠状态，而是一直循环检测锁状态。示例代码如下：

while (__atomic_test_and_set(&lock, __ATOMIC_ACQUIRE)); // 获取锁
// 访问共享资源
__atomic_clear(&lock, __ATOMIC_RELEASE); // 解锁

自旋锁虽然开销小，但如果持锁时间过长，可能会导致CPU资源的浪费。

综述表

同步方式	特点	适用场景
互斥锁	单线程访问共享资源	资源需要严格互斥的场景
信号量	控制访问数量	多生产者-多消费者场景
条件变量	线程等待特定条件	动态条件响应的场景
读写锁	允许多个读者，有效提高并发度	大部分为读，少数为写的场景
自旋锁	轻量级锁，消耗CPU时间	持锁时间极短的情况