Linux实现线程同步的方式有哪些？

news2025/7/30 11:27:48

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
1. 协调工作：收银员（CPU）高效服务
1. 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：
在这里插入图片描述

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
1. 厨师：完成订单 → 锁定柜台 → 更新订单 → 发送通知
1. 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

锁类型对比表：

场景	推荐锁类型	类比
短时间独占操作	自旋锁	快速便利店购物
长时间独占操作	互斥锁	餐厅包间用餐
多读少写	读写锁	图书馆
线程组协调	屏障	旅行团集合
事件通知	条件变量	咖啡厅叫号系统