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线程同步：多线程编程的核心机制

news 来源：原创 2025/5/18 1:40:50

一、线程同步的意义

线程同步的主要目的是避免数据竞争、保证数据一致性、控制线程执行顺序，并提高程序的性能和稳定性。具体意义包括：

避免数据竞争：防止多个线程同时修改共享资源，导致不可预测的行为。
保证数据一致性：确保共享资源的修改和读取是原子的，避免数据不一致。
控制执行顺序：通过同步机制协调线程的执行顺序，确保逻辑正确。
提高资源利用率：让线程在必要时阻塞，避免不必要的资源消耗。
实现线程间通信：通过同步机制实现线程间的协作和通信。
防止死锁和活锁：通过合理设计同步机制，避免线程相互等待或不断重试。
提升程序可预测性和稳定性：确保程序行为是可预测的，减少错误和崩溃。
支持复杂并发模型：如生产者-消费者模型、读写者模型等。
优化性能：通过合理的同步机制减少竞争开销，提升性能。
支持多核和多处理器环境：确保多核环境下的正确性和性能。

二、常用的线程同步方式

互斥锁（Mutex）：线程安全的“守门员”

什么是互斥锁？

互斥锁是最基础的线程同步工具，用于确保同一时间只有一个线程能访问共享资源。它的行为类似于卫生间的门锁：当有人使用时锁门，其他人必须等待。

核心函数与用法

#include <pthread.h>

pthread_mutex_t mutex;

// 1. 初始化互斥锁
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

// 2. 加锁（若锁被占用则阻塞）
pthread_mutex_lock(&mutex);
access_shared_resource(); // 访问共享资源
pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁

// 3. 非阻塞尝试加锁
if (pthread_mutex_trylock(&mutex) == 0) {
    // 加锁成功
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
}

// 4. 销毁互斥锁
pthread_mutex_destroy(&mutex);

经典场景：全局计数器保护

int counter = 0;
pthread_mutex_t mutex;

void increment() {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    counter++; // 临界区操作
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
}

void decrement() {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    counter--; 
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
}

读写锁（Read-Write Lock）：读多写少的“高效管家”

为什么需要读写锁？

在缓存系统、配置管理等读多写少的场景中，传统互斥锁会因频繁的读操作导致性能瓶颈。读写锁允许多个读线程并行访问，而写线程独占资源，完美平衡性能与安全。

核心函数与用法

#include <pthread.h>

pthread_rwlock_t rwlock;

// 1. 初始化读写锁
pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);

// 2. 读模式加锁（允许多个线程同时读）
pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
read_data(); // 读操作
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

// 3. 写模式加锁（独占访问）
pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
write_data(); // 写操作
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

// 4. 销毁读写锁
pthread_rwlock_destroy(&rwlock);

信号量（Semaphore）：控制并发访问的“流量阀门”

什么是信号量？

信号量是一种计数器，用于限制同时访问共享资源的线程数量。它的行为类似于停车场的空位指示牌：当车位满时禁止进入，有空位时允许车辆进入并更新剩余车位。

核心函数与应用

#include <semaphore.h>

// 1. 初始化信号量（初始值为5，允许5个线程并发访问）
sem_t sem;
sem_init(&sem, 0, 5); 

// 2. 线程申请资源（信号量-1）
sem_wait(&sem); 

// 3. 线程释放资源（信号量+1）
sem_post(&sem);

// 4. 销毁信号量
sem_destroy(&sem);