线程同步机制学习总结

在并发编程中，线程同步是确保共享资源安全访问的核心机制。其中的读写锁、互斥锁、条件变量和信号量的核心原理、适用场景及对比分析：

1. 互斥锁（Mutex）

• 核心原理： 互斥锁通过独占方式保护临界区资源，同一时刻仅允许一个线程访问共享资源。线程在访问资源前需获取锁，使用后释放锁，其他线程需等待锁释放后才能竞争获取

• 特点：

  • 简单高效：适用于需要严格串行化的场景（如修改共享变量）。
  • 不支持嵌套：同一线程多次加锁可能导致死锁（需用可重入锁解决）。

• 实现示例（C++）：

std::mutex mtx;
mtx.lock();   // 加锁
// 访问共享资源
mtx.unlock(); // 解锁

2. 读写锁（Read-Write Lock）

• 核心原理： 读写锁将访问分为读锁（共享）和写锁（独占）。多个读线程可同时访问资源，但写线程必须独占且阻塞其他读写操作

• 特点：

  • 读多写少优化：适用于高频读取、低频写入场景（如缓存系统）。

  • 写饥饿风险：长时间读操作可能阻塞写线程（可通过优先级策略缓解）

• 实现示例（C++）：

std::shared_mutex rw_lock;
rw_lock.lock_shared(); // 读锁
// 读取资源
rw_lock.unlock_shared();

rw_lock.lock(); // 写锁
// 修改资源
rw_lock.unlock();

3. 条件变量（Condition Variable）

• 核心原理： 条件变量与互斥锁配合使用，允许线程在特定条件未满足时主动阻塞，待其他线程修改条件后唤醒。常用于复杂的同步逻辑（如生产者-消费者模型）

• 特点：

  • 条件驱动：需搭配互斥锁和共享状态变量使用。
  • 避免忙等待：通过阻塞而非轮询减少CPU占用。

• 实现示例（C++）：

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;

// 等待线程
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
cv.wait(lock, []{ return ready; }); // 阻塞直到条件满足

// 通知线程
ready = true;
cv.notify_all(); // 唤醒所有等待线程

4. 信号量（Semaphore）

• 核心原理： 信号量通过计数器控制资源访问数量，允许多个线程在许可范围内并发访问资源。二元信号量（计数器为1）功能类似互斥锁，但可跨进程使用

• 特点：

  • 灵活控制并发数：适用于资源池管理（如数据库连接池）。
  • 无所有权概念：任何线程均可释放信号量，需谨慎设计释放逻辑。

• 实现示例（C++）：

std::counting_semaphore<10> sem(3); // 初始许可数3，上限10
sem.acquire(); // 获取许可（若无许可则阻塞）
// 访问资源
sem.release(); // 释放许可

对比与选型建议

机制	适用场景	性能特点	注意事项
互斥锁	严格串行化访问（如修改共享变量）	高吞吐量，低延迟	避免死锁，优先使用可重入锁
读写锁	读多写少（如缓存、配置文件）	读操作并发度高	需处理写饥饿问题
条件变量	复杂条件等待（如任务队列）	减少CPU忙等待	必须与互斥锁和状态变量配合使用
信号量	控制并发资源数（如线程池）	支持多线程并发访问	跨进程使用时需注意信号量持久化

总结

• 简单互斥：优先选择互斥锁或二元信号量。
• 读多写少：读写锁显著提升读取性能，但需平衡写优先级。
• 条件触发：条件变量适用于异步任务协作（如生产者-消费者）。
• 资源池化：信号量管理有限资源（如数据库连接）。

设计原则：

1. 最小化锁粒度：仅对必要代码段加锁，减少竞争。

2. 避免嵌套锁：防止死锁，可使用超时锁（如try_lock）。

3. 优先无锁结构：如原子操作或线程本地存储（ThreadLocal）