《并发编程核心机制系列（二）：原子操作与互斥量的抉择》-优快云博客

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原子操作与互斥量详解 - 并发编程中的选择之道

在并发编程中，我们经常需要面对多线程/多进程同时访问共享资源的问题。原子操作和互斥量是两种常用的同步机制，本文将深入分析它们的特点和使用场景。

一、为什么需要同步机制？

让我们通过一个简单的例子来理解：

// 不使用同步机制的计数器
int counter = 0;

// 多个线程同时执行
void increment() {
    counter++;  // 看似简单的操作实际包含多个步骤
}

这个简单的 counter++ 操作实际包含三个步骤：

读取counter的值
将值加1
写回counter

当多个线程同时执行时，可能出现：

线程1：读取counter=0
线程2：读取counter=0
线程1：counter+1=1
线程2：counter+1=1
线程1：写回counter=1
线程2：写回counter=1

最终counter=1，而不是期望的2。这就是典型的竞态条件问题。

二、原子操作与互斥量的特点

1. 原子操作

// 使用原子操作
atomic_t counter = ATOMIC_INIT(0);

void increment() {
    atomic_inc(&counter);  // 一个不可分割的操作
}

优点：

性能高（纳秒级）
无需上下文切换
实现简单
无死锁风险

缺点：

功能单一
只能执行简单操作
不支持复杂的同步逻辑

2. 互斥量

// 使用互斥量
pthread_mutex_t mutex;
int counter = 0;

void increment() {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    counter++;
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
}

优点：

功能强大
可保护复杂操作
支持条件变量
适用范围广

缺点：

性能较低（微秒级）
需要上下文切换
可能产生死锁
资源消耗较大

三、使用场景分析

1. 适合原子操作的场景

简单计数器

atomic_t users_online;
atomic_inc(&users_online);  // 用户上线
atomic_dec(&users_online);  // 用户下线

状态标志

unsigned long flags;
set_bit(FLAG_BUSY, &flags);    // 设置忙标志
clear_bit(FLAG_BUSY, &flags);  // 清除忙标志

引用计数

struct resource {
    atomic_t ref_count;
};

void get_resource(struct resource *res) {
    atomic_inc(&res->ref_count);
}

void put_resource(struct resource *res) {
    if (atomic_dec_and_test(&res->ref_count)) {
        free(res);  // 最后一个引用释放资源
    }
}

2. 适合互斥量的场景

复杂数据结构操作

pthread_mutex_lock(&list_mutex);
// 可以执行多个相关操作
insert_node(list, new_node);
rebalance_tree(list);
update_statistics();
pthread_mutex_unlock(&list_mutex);

条件等待

pthread_mutex_lock(&mutex);
while (!ready) {
    pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}
process_data();
pthread_mutex_unlock(&mutex);

资源池管理

pthread_mutex_lock(&pool_mutex);
while (pool_empty()) {
    pthread_cond_wait(&pool_cond, &pool_mutex);
}
resource = get_resource_from_pool();
pthread_mutex_unlock(&pool_mutex);