别再被多线程搞晕了！一篇文章轻松搞懂 Linux 多线程同步!

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前言

大家有没有遇到过，代码跑着跑着，线程突然抢资源抢疯了？其实，这都是“多线程同步”在作怪。多线程同步是个老生常谈的话题，可每次真正要处理时还是让人头疼。这篇文章，带你从头到尾掌握 Linux 的多线程同步，把概念讲成大白话，让你看了不再迷糊，还能拿出来装一装逼！不管是“锁”、“信号量”，还是“条件变量”，我们都一网打尽，赶紧点赞收藏，一文搞懂！

一、什么是线程同步？——“排队来操作，按规矩走”

线程同步的核心，就是控制多个线程的访问顺序，让它们在访问共享资源时有序、稳定。你可以把它想象成大家排队进电影院，每个线程都是观众，排好队才能有序进场。如果大家一拥而上，不仅容易出事，还谁也看不成电影。

简单来说，线程同步就是一个“排队工具”，让线程们按顺序、按规则去操作资源，避免混乱、出错。

二、为什么需要多线程同步？——不想大家打架就得“排好队”

简单来说，多线程同步就是为了控制多个线程之间的访问顺序，保证数据的一致性，防止线程“打架”。
比如你有多个线程在“抢”同一个变量，它们随时会互相影响，最终导致程序结果错得一塌糊涂，甚至程序崩溃。这时候就像几个朋友围在一桌，大家都想夹最后一块肉，结果谁也夹不到，甚至还打起来了！在计算机中，这个场景会导致资源冲突或者死锁。

三、线程同步的常见问题？

为什么多线程容易“打架”？因为线程是独立的执行单元，它们的执行顺序不确定。几个常见的问题：

竞争条件：多个线程同时抢着用同一个资源，结果数据出错、搞乱了。
死锁：线程互相等待彼此的资源，谁也不让谁，最后都卡在那儿不动了。
活锁：线程为了避免冲突，不停地让来让去，结果谁也没法继续工作，任务一直停滞着。

所以，为了保证程序的正确性、数据一致性，Linux 提供了各种同步工具。可以理解为“排队工具”，让线程一个一个地来，用完再走，大家和平共处。

四、同步工具集锦：全家福

在 Linux 中，常用的同步工具主要有七类：

互斥锁（Mutex）：一人一次，谁拿到谁操作，别抢！
条件变量（Condition Variable）：有人负责通知，其他人等信号，一喊开工就一哄而上。
信号量（Semaphore）：有限名额，控制同时访问资源的线程数量，适合多线程限流。
读写锁（Reader-Writer Lock）：有读有写，读可以多人一起看，写得自己来。
自旋锁（Spin Lock）：不停地检查锁，忙等。适合短时间锁定场景。
屏障（Barrier）：所有线程到这儿集合，等到齐了一起开始下一步。
原子操作（Atomic Operations）：小数据更新直接操作，不加锁，速度快，适合简单计数和标志位更新。

这些工具看起来好像有点复杂，但咱们一个一个来，保你一学就懂！

五、互斥锁（Mutex）：谁拿到，谁先操作

互斥锁是多线程同步的基础。顾名思义，互斥锁（mutex）是一种独占机制，即一次只允许一个线程访问共享资源。要理解互斥锁的作用，可以想象一下“厕所上锁”的场景：假设家里有一个卫生间，进门时必须锁上，完事出来再开锁，以防别人误闯。

常见接口：

在 POSIX 线程库中，互斥锁通过 pthread_mutex_t 类型实现，提供了以下常见接口：

pthread_mutex_init(&mutex, nullptr)：初始化互斥锁
pthread_mutex_lock(&mutex)：加锁，若已被其他线程锁定，则阻塞等待
pthread_mutex_trylock(&mutex)：尝试加锁，若锁已被占用，则立即返回错误而不阻塞
pthread_mutex_unlock(&mutex)：解锁，释放互斥锁，允许其他线程加锁
pthread_mutex_destroy(&mutex)：销毁互斥锁，释放相关资源

简单代码示例：

这段代码展示了如何使用互斥锁（mutex）来确保多个线程对共享变量 counter 的安全访问。

#include <pthread.h>
#include <iostream>

pthread_mutex_t mutex;  // 声明互斥锁

int counter = 0;

void* increment(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);  // 加锁
    counter++;
    pthread_mutex_unlock(&mutex);  // 解锁
    return nullptr;
}

int main() {
    pthread_t t1, t2;
    pthread_mutex_init(&mutex, nullptr);  // 初始化互斥锁

    pthread_create(&t1, nullptr, increment, nullptr);
    pthread_create(&t2, nullptr, increment, nullptr);

    pthread_join(t1, nullptr);
    pthread_join(t2, nullptr);

    std::cout << "Final counter value: " << counter << std::endl;

    pthread_mutex_destroy(&mutex);  // 销毁互斥锁
    return 0;
}