Linux线程同步入门指南

什么是线程同步？

想象一下超市收银台：如果所有顾客（线程）同时挤向同一个收银台（共享资源），场面会一片混乱。线程同步就是给顾客们发"排队号码牌"，确保：

• 1. 有序访问：每次只处理一个顾客
• 2. 协调工作：收银员（CPU）高效服务
• 3. 避免冲突：防止算错账（数据错误）

Linux提供5种"排队机制"解决多线程协作问题：

一、互斥锁（单人洗手间规则）

#include <pthread.h>

// 创建锁（相当于洗手间的"有人/无人"标识）
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void* thread_task(void* arg) {
       // 尝试进入（如果里面有人就排队等待）
       pthread_mutex_lock(&lock);

      /* 临界区开始（你的"私人时间"） */
       printf("Thread %d using resource\n", *(int*)arg);
       sleep(1); // 模拟耗时操作
      /* 临界区结束 */

       // 开门出来（让下一位使用）
       pthread_mutex_unlock(&lock);
       return NULL;
}

适用场景：

• 文件写入操作
• 银行账户余额修改
• 任何需要"独享"资源的场景

特点：

• ✅ 简单易用
• ⚠️ 过度使用会降低并发性能

二、条件变量（咖啡厅取餐系统）

pthread_cond_t order_ready = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t counter_lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int order_number = 0;

// 顾客线程（等待取餐）
void* customer(void* arg) {
       pthread_mutex_lock(&counter_lock);
       while(order_number == 0) { // 必须用while循环检查
               pthread_cond_wait(&order_ready, &counter_lock); // 放下锁等待通知
       }
       printf("Got order %d!\n", order_number);
       pthread_mutex_unlock(&counter_lock);
       return NULL;
}

// 厨师线程（通知取餐）
void* chef(void* arg) {
       sleep(2); // 模拟做饭时间
       pthread_mutex_lock(&counter_lock);
       order_number = 123;
       pthread_cond_signal(&order_ready); // 叫号通知顾客
       pthread_mutex_unlock(&counter_lock);
       return NULL;
}

工作流程：

• 1. 顾客：锁定柜台 → 检查订单 → 等待叫号
• 2. 厨师：完成订单 → 锁定柜台 → 更新订单 → 发送通知
• 3. 顾客：被唤醒 → 重新检查 → 取餐

适用场景：

• 生产者-消费者模型（如消息队列）
• 线程间任务协调

三、自旋锁（抢车位）

pthread_spinlock_t parking_lock;

// 初始化锁（停车场入口）
pthread_spin_init(&parking_lock, PTHREAD_PROCESS_PRIVATE);

void* driver(void* arg) {
       // 开车绕圈找空位（CPU忙等待）
       pthread_spin_lock(&parking_lock);

       /* 停车成功（临界区） */
       printf("Car %d parked\n", *(int*)arg);

       // 开走释放车位
       pthread_spin_unlock(&parking_lock);
       return NULL;
}

适用场景：

• 极短操作（<0.1毫秒）
• 内核开发
• 实时系统

注意事项：

• ⚠️ 会浪费CPU资源
• ✅ 比互斥锁响应更快

四、屏障（旅行团集合点）

#define TOURIST_COUNT 4
pthread_barrier_t meeting_point;

// 初始化屏障（设置集合人数）
pthread_barrier_init(&meeting_point, NULL, TOURIST_COUNT);

void* tourist(void* arg) {
       printf("Tourist %d arrived\n", *(int*)arg);
       // 等待其他游客
       pthread_barrier_wait(&meeting_point);
       printf("All here! Start tour\n");
       return NULL;
}

执行效果：

Tourist 1 arrived
Tourist 3 arrived
Tourist 2 arrived
Tourist 4 arrived  → 所有线程同时继续执行
All here! Start tour
All here! Start tour
All here! Start tour
All here! Start tour

适用场景：

• 并行计算（如矩阵运算）
• 多阶段数据处理

五、读写锁（图书馆规则）

pthread_rwlock_t book_lock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;

// 读者线程（多人同时阅读）
void* reader(void* arg) {
       pthread_rwlock_rdlock(&book_lock); // 获取读锁
       printf("Reading book...\n");
       sleep(1);
       pthread_rwlock_unlock(&book_lock);
       return NULL;
}

// 作者线程（独占写作）
void* writer(void* arg) {
       pthread_rwlock_wrlock(&book_lock); // 获取写锁
       printf("Writing new chapter...\n");
       sleep(2);
       pthread_rwlock_unlock(&book_lock);
       return NULL;
}

锁类型对比表：

新手常见问题解答

Q：该选哪种同步方式？

A：参考这个简单决策流程：

• 1. 需要等待某个事件？ → 条件变量
• 2. 所有线程要同时继续？ → 屏障
• 3. 读操作远多于写操作？ → 读写锁
• 4. 操作时间极短（<0.1ms）→ 自旋锁
• 5. 其他情况 → 互斥锁

Q：锁用太多会怎样？

A：就像超市收银台只开一个窗口：

• 程序变慢（线程排队等待）
• CPU利用率低
• 可能引发死锁（互相等待）

Q：如何避免死锁？

A：遵循三个黄金法则：

• 1. 按固定顺序获取锁（如先A后B）
• 2. 设置锁超时时间
• 3. 使用pthread_mutex_trylock()尝试获取锁