Linux实现线程同步的方式有哪些?

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:

一、互斥锁(单人洗手间规则)

arduino 复制代码
#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)

scss 复制代码
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)

scss 复制代码
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

参考文章: Linux线程同步入门指南

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