进程同步的方法有哪些

在操作系统中，进程同步是指在并发环境下，多个进程为了共享资源或协调执行而采取的机制，确保数据的一致性和正确性。由于多个进程可能同时访问共享资源，因此必须使用同步手段来避免竞态条件（Race Condition）。

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🚀 常见的进程同步方法

同步方法	原理	适用场景	是否忙等待
🔒互斥锁 (Mutex)	进程间互斥访问共享资源	简单的互斥控制	❌ 否
📊信号量 (Semaphore)	计数器机制，控制资源访问上限	资源限制、访问控制	✅/❌ 可选
⏳条件变量 (Condition Variable)	等待-通知机制，协调线程间操作	生产者-消费者模型、复杂同步场景	❌ 否
📬管道 (Pipe)	通过管道传输数据，实现同步	父子进程间数据传输	❌ 否
📨消息队列 (Message Queue)	内核维护的消息链表，传递消息	独立进程间的同步与数据传输	❌ 否
🧠共享内存 (Shared Memory)	共享内存区 + 同步机制	大量数据传输 + 同步机制	❌ 否
📣信号 (Signal)	异步机制，通知某个进程触发事件	中断、超时、异常处理	❌ 否

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🔒 1. 互斥锁 (Mutex)

🔹 原理

• 互斥锁确保同一时刻仅有一个进程访问共享资源。
• 通过 lock() 和 unlock() 控制访问权。

🔹 特点

✅ 适用于多进程对同一资源的访问控制；
✅ 无忙等待，效率较高；
❗ 需小心死锁问题；

🔹 示例代码 (C - pthread_mutex)

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

pthread_mutex_t lock;
int counter = 0;

void* increment(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        pthread_mutex_lock(&lock);  // 加锁
        counter++;
        printf("线程 %ld - 计数器: %d\n", pthread_self(), counter);
        pthread_mutex_unlock(&lock);  // 解锁
        sleep(1);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t t1, t2;

    pthread_mutex_init(&lock, NULL);

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

    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);

    pthread_mutex_destroy(&lock);

    return 0;
}

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📊 2. 信号量 (Semaphore)

🔹 原理

• 信号量维护一个计数器，表示可用资源的数量。
• P() (wait) 操作：计数器减 1；
• V() (signal) 操作：计数器加 1；

🔹 特点

✅ 适合控制对有限资源的访问；
✅ 适用于多进程访问同一资源的访问上限控制；
❗ 可能会出现死锁，需小心处理；

🔹 示例代码 (C - sem_t)

#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

sem_t semaphore;

void* threadFunc(void* arg) {
    sem_wait(&semaphore);  // 获取信号量
    printf("线程 %ld 正在访问共享资源\n", pthread_self());
    sleep(1);
    printf("线程 %ld 释放资源\n", pthread_self());
    sem_post(&semaphore);  // 释放信号量
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t threads[3];

    sem_init(&semaphore, 0, 2);  // 最多允许2个线程同时访问

    for(int i = 0; i < 3; i++)
        pthread_create(&threads[i], NULL, threadFunc, NULL);

    for(int i = 0; i < 3; i++)
        pthread_join(threads[i], NULL);

    sem_destroy(&semaphore);
    return 0;
}

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⏳ 3. 条件变量 (Condition Variable)

🔹 原理

• 条件变量用于等待/通知机制，通常与 pthread_mutex 配合使用。
• wait() 操作等待条件满足；
• signal() 操作通知等待的线程继续执行；

🔹 特点

✅ 适合复杂的线程同步；
✅ 常用于生产者-消费者模型；
❗ 不适合大数据传输；

🔹 示例代码 (C - pthread_cond)

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;
int ready = 0;

void* producer(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    ready = 1;  
    printf("生产者：数据已准备好\n");
    pthread_cond_signal(&cond);  
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

void* consumer(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while (!ready) {
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);  
    }
    printf("消费者：已接收数据\n");
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t t1, t2;
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    pthread_cond_init(&cond, NULL);

    pthread_create(&t1, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, consumer, NULL);

    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);

    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&cond);
    return 0;
}

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📣 4. 信号 (Signal)

🔹 原理

• 信号是一种异步的通知机制，允许一个进程向另一个进程发送信号，告知其需要执行的操作。

🔹 常用信号

✅ SIGINT → 中断信号 (Ctrl+C)
✅ SIGTERM → 终止信号
✅ SIGCHLD → 子进程终止信号

🔹 示例代码 (C - signal())

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

void signalHandler(int signum) {
    printf("收到信号: %d\n", signum);
}

int main() {
    signal(SIGINT, signalHandler);  // 捕获 Ctrl+C 信号
    while (1) {
        printf("等待信号...\n");
        sleep(2);
    }
    return 0;
}

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📋 5. 对比总结

方法	适用场景	优势	劣势
互斥锁 (Mutex)	简单的临界区访问控制	无忙等待、简单易用	不适用于多资源并发场景
信号量 (Semaphore)	资源访问上限控制	适用于多资源管理	容易导致死锁
条件变量 (Condition Variable)	线程间的等待/通知机制	复杂同步场景、无忙等待	需配合互斥锁使用
信号 (Signal)	异步事件通知	实时性高、轻量级	仅适合短暂通知，不适合数据传输
共享内存 (Shared Memory)	大量数据共享	数据传输最快	需额外借助同步机制避免数据竞争

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🌟 推荐学习路径

• 入门阶段 → 使用 Mutex、Semaphore 学习基础同步机制；
• 进阶阶段 → 掌握 Condition Variable，解决更复杂的同步问题；
• 高效场景 → 在大规模数据传输中使用 共享内存 提高性能；