在Linux系统中，多线程编程能充分利用多核资源提升程序效率，但多个线程共享进程资源时，若不加控制就可能导致数据混乱、结果不一致等问题。线程同步正是解决这类问题的关键技术，它通过一系列机制协调线程间的执行顺序，确保共享资源的安全访问。
为什么需要线程同步？
想象这样一个场景：两个线程同时操作同一个银行账户，线程A要存款100元，线程B要取款100元，初始余额为200元。正常逻辑下，最终余额应为200元，但实际执行中可能出现以下情况：
- 线程A读取余额200元，准备计算新余额（200 + 100 = 300）- 线程B此时也读取余额200元，计算新余额（200 - 100 = 100）
- 线程A先写入300元，随后线程B写入100元，最终余额为100元，显然错误
这种因多线程无序访问共享资源导致的问题，称为竞态条件。线程同步的核心目标就是避免竞态条件，保证共享资源操作的原子性（即操作要么完全执行，要么完全不执行，中间不被打断）。
Linux常用线程同步机制
Linux提供了多种线程同步工具，适用于不同场景，以下是最常用的几种：
1.互斥锁（Mutex）
互斥锁是最基础的同步机制，它通过"加锁 - 操作 - 解锁"的流程控制共享资源的访问：
- 线程访问共享资源前，必须先获取锁（lock），若锁已被其他线程持有，则当前线程阻塞等待
- 线程完成操作后，释放锁（unlock），让其他等待的线程有机会获取锁
特点：同一时间只允许一个线程持有锁，适合保护短时间的临界区（共享资源操作代码段）。
常用函数： pthread_mutex_init （初始化锁）、 pthread_mutex_lock （加锁）、 pthread_mutex_unlock （解锁）、 pthread_mutex_destroy （销毁锁）。
2. 条件变量（Condition Variable）
定义与作用
条件变量用于线程间的"等待 - 通知"通信，解决线程间因特定条件未满足而需要等待的问题。它允许线程在某个条件不满足时阻塞，直到其他线程通知该条件已满足。与互斥锁不同，条件变量本身并不用于保护共享资源，而是用于线程之间的协调。
同步概念与竞态条件
在多线程环境中，当一个线程需要等待某个条件满足才能继续执行时，如果仅使用互斥锁，可能会导致竞态条件。例如，线程A需要等待某个数据准备好才能处理，若线程A在检查数据是否准备好时持有锁，而线程B负责准备数据，那么线程B在准备数据时就无法获取锁，从而无法更新数据，导致线程A一直等待。条件变量通过允许线程在等待时释放锁，避免了这种竞态条件。
常用函数
- 初始化： pthread_cond_init 函数用于初始化条件变量。它为条件变量分配必要的资源，并将其初始化为默认状态。
- 销毁： pthread_cond_destroy 函数用于销毁条件变量，释放其占用的资源。在不再使用条件变量时，应调用该函数进行清理。
- 等待： pthread_cond_wait 函数用于让线程等待条件变量被通知。当线程调用该函数时，它会自动释放关联的互斥锁，并进入阻塞状态，直到其他线程通过 pthread_cond_signal 或 pthread_cond_broadcast 通知该条件变量。一旦收到通知，线程会重新获取互斥锁，并继续执行。- 唤醒： pthread_cond_signal 函数用于唤醒一个等待在该条件变量上的线程。如果有多个线程在等待，它会选择其中一个线程唤醒。 pthread_cond_broadcast 函数则用于唤醒所有等待在该条件变量上的线程。
简单案例代码
以下是一个简单的生产者 - 消费者模型的案例代码，展示了条件变量的使用：
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#define BUFFER_SIZE 5
int buffer[BUFFER_SIZE];
int count = 0;
int in = 0;
int out = 0;
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t not_full;
pthread_cond_t not_empty;
void *producer(void *arg) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
while (count == BUFFER_SIZE) {
pthread_cond_wait(¬_full, &mutex);
}
buffer[in] = i;
in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;
count++;
pthread_cond_signal(¬_empty);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
return NULL;
}
void *consumer(void *arg) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
while (count == 0) {
pthread_cond_wait(¬_empty, &mutex);
}
int item = buffer[out];
out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;
count--;
pthread_cond_signal(¬_full);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
printf("Consumed: %d\n", item);
}
return NULL;
}
int main() {
pthread_t producer_thread, consumer_thread;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
pthread_cond_init(¬_full, NULL);
pthread_cond_init(¬_empty, NULL);
pthread_create(&producer_thread, NULL, producer, NULL);
pthread_create(&consumer_thread, NULL, consumer, NULL);
pthread_join(producer_thread, NULL);
pthread_join(consumer_thread, NULL);
pthread_mutex_destroy(&mutex);
pthread_cond_destroy(¬_full);
pthread_cond_destroy(¬_empty);
return 0;
}
在这个案例中，生产者线程负责向缓冲区中添加数据，消费者线程负责从缓冲区中取出数据。当缓冲区满时，生产者线程会等待 not_full 条件变量；当缓冲区为空时，消费者线程会等待 not_empty 条件变量。通过条件变量和互斥锁的配合使用，实现了线程间的同步。
3. 信号量（Semaphore）(下篇文章见)
信号量是一个计数器，用于控制同时访问某资源的线程数量，本质是一种"有限等待"机制：
- 线程访问资源前，调用 sem_wait （信号量减1），若结果小于0则阻塞
- 线程释放资源后，调用 sem_post （信号量加1），唤醒等待的线程
特点：可允许多个线程同时访问资源（如设置信号量为5，表示最多5个线程同时操作），适用于资源池、连接池等场景。
4. 读写锁（Reader - Writer Lock）
读写锁针对"读多写少"的场景优化，区分读操作和写操作：
- 多个线程可同时获取读锁（共享），不阻塞彼此
- 写锁是排他的，获取写锁时会阻塞所有读锁和其他写锁
特点：提高读操作的并发效率，适合日志读取、配置加载等场景，常用函数有 pthread_rwlock_rdlock （读锁）、 pthread_rwlock_wrlock （写锁）等。
线程同步的注意事项
4. 避免死锁：多个线程互相等待对方释放锁会导致死锁，需通过固定锁顺序、设置超时等方式避免。
5. 减少锁粒度：锁保护的范围越小，并发效率越高，避免将无关操作放入临界区。
6. 选择合适机制：根据场景选择工具（如读多写少用读写锁，有限资源用信号量），避免过度同步。
总结
线程同步是Linux多线程编程的核心，通过互斥锁、条件变量、信号量等机制，能有效解决竞态条件，保证共享资源的安全访问。实际开发中，需结合业务场景选择合适的同步工具，在安全性和效率之间找到平衡，才能写出高效、稳定的多线程程序。