线程同步机制总结

线程同步机制总结

条件变量机制

1. 作用与特点
   • 用于线程间同步，允许线程以无竞争方式等待特定条件的发生，避免忙等待（轮询）造成的CPU资源浪费。
   • 需与互斥锁（pthread_mutex_t）配合使用，确保对共享条件的检查在互斥锁保护下进行。
   • 条件变量本身不保存状态信息，仅提供阻塞和唤醒机制。

2. 核心操作流程

   1. 初始化
      ◦ 静态初始化：pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
      ◦ 动态初始化：pthread_cond_init(&cond, NULL);
   2. 等待条件
      ◦ 调用pthread_cond_wait(cond, mutex)：
      ▪ 自动释放互斥锁mutex，线程进入阻塞等待状态。
      ▪ 被唤醒后重新获取mutex锁，需再次检查条件是否满足（防止虚假唤醒）。
   3. 通知条件
      ◦ pthread_cond_signal(cond)：唤醒至少一个等待线程。
      ◦ pthread_cond_broadcast(cond)：唤醒所有等待线程。
   4. 销毁：pthread_cond_destroy(&cond)。

3. 关键函数

   函数	描述
   pthread_cond_init()	动态初始化条件变量
   pthread_cond_wait()	阻塞等待条件，释放锁
   pthread_cond_signal()	唤醒一个等待线程
   pthread_cond_broadcast()	唤醒所有等待线程
   pthread_cond_destroy()	销毁条件变量

4. 典型应用场景
   • 生产者-消费者模型：当缓冲区为空时，消费者线程等待；生产者填充数据后通知消费者。

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信号量机制

1. 作用与特点
   • 用于控制对共享资源的访问，支持线程/进程间的同步和互斥。
   • 信号量是一个非负整数计数器，通过PV原子操作（P：申请资源，V：释放资源）实现同步。
   • 与条件变量不同，信号量本身保存状态（计数值），常用于资源池管理。

2. PV原子操作原理
   • P操作（sem_wait）：
   ◦ 若信号量值 > 0，减1并继续执行。
   ◦ 若值 = 0，阻塞直到其他线程执行V操作。
   • V操作（sem_post）：
   ◦ 信号量值加1，唤醒等待的线程（如果有）。

3. 信号量类型
   • 二进制信号量：值范围为0或1，用于互斥（类似互斥锁）。
   • 计数信号量：值 >=0，表示可用资源数量，用于同步（如生产者-消费者）。

4. 应用模式
   • 互斥：
   ◦ 初始化信号量为1，线程进入临界区前执行P操作，退出后执行V操作。

   sem_t mutex;
   sem_init(&mutex, 0, 1);  // 初始值1
   // 线程1
   sem_wait(&mutex);  
   // 临界区操作  
   sem_post(&mutex);  
   // 线程2同理
   

   • 同步：
   ◦ 使用多个信号量协调线程执行顺序。例如，设置sem1=0，sem2=1，线程A执行完触发sem_post(sem1)，线程B等待sem_wait(sem1)。

   sem_t sem1, sem2;
   sem_init(&sem1, 0, 0);  // 初始值0
   sem_init(&sem2, 0, 1);  // 初始值1
   // 线程A
   sem_wait(&sem2);  
   // 操作1  
   sem_post(&sem1);  
   // 线程B
   sem_wait(&sem1);  
   // 操作2  
   sem_post(&sem2);  
   

5. 关键函数

   函数	描述
   sem_init()	初始化信号量
   sem_wait()	P操作，申请资源
   sem_post()	V操作，释放资源
   sem_destroy()	销毁信号量
   sem_getvalue()	获取信号量当前值

6. 典型应用场景
   • 哲学家就餐问题：通过信号量控制筷子资源的获取，避免死锁。
   • 生产者-消费者问题：用计数信号量管理缓冲区空/满状态。

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对比与总结

机制	适用场景	核心特点
条件变量	等待特定条件成立	需搭配互斥锁，自动释放锁避免死锁
信号量	资源计数/互斥	自带计数器，无需显式锁，支持更复杂的同步逻辑

选择建议：
• 若需等待某个复杂条件，优先使用条件变量。
• 若需管理资源数量（如线程池、缓冲区），优先使用信号量。