线程同步

线程同步

当多个控制线程共享相同的内存时，需要确保每个线程看到一致的数据视图。如果每个线程使用的变量都是其他线程不会读取和修改的，那么就不存在一致性问题。

同样，如果变量是只读的，多个线程同时读取该变量也不会有一致性问题。

但是，当一个线程可以修改的变量，其他线程也可以读取或者修改的以后，我们就需要对这些线程进行同步，确保它们在访问变量的存储内容时不会访问到无效的值。

互斥量

互斥量（mutex）从本质上说是一把锁，在访问共享资源前对互斥量进行设置（加锁），在访问完成后释放（解锁）互斥量。对互斥量进行加锁后，任何其他试图再次对互斥量加锁的线程都会被阻塞直到当前线程释放该互斥锁。如果释放互斥量时有一个以上的线程阻塞，那么所有该锁上的阻塞线程都会变成可运行状态，第一个变为运行的线程就可以对互斥量加锁，其他线程就会看到互斥量依然是锁着的，只能回去再次等待它重新变为可用。在这种方式下，每次只有一个线程可以向前直行。

用一个现实世界中的例子来具象化说明上面一段话。

大家都有过商场买衣服的经历，买衣服时需要到更衣间试衣服。买衣服的人比较多，而更衣室有限，大家都到更衣室排队等待。此时，更衣室就类似共享资源，排队的人就类似多个线程，更衣室外面的有人更衣标志就类似互斥量。

有人更衣标志显示时，就表明互斥量加锁了，更衣室只能有一个人使用，其他排队的人都需要等待，直到更衣室的人出来，有人更衣标志变为无人状态，代表当前线程释放该互斥锁。

此时，会有很多人在排队，排队的这些人都有可能进入更衣室（如果不需要排队）。但是不好意思，排在第一个的人优先进入更衣室，有人更衣标志亮起，第一个变为运行的线程对互斥量加锁，其他排队的人只能继续等待。

读写锁

读写锁与互斥量类似，不过读写锁允许更高的并行性。互斥量要么是锁住状态，要么就是不加锁状态，而且一次直邮一个线程可以对其加锁。读写锁可以有3中状态：读模式下加锁状态，写模式下加锁状态，不加锁状态。一次直邮一个线程可以占有写模式的读写锁，但是多个线程可以同时占有读模式的读写锁。

当读写锁是写加锁状态时，在这个锁被解锁之前，所有试图对这个锁加锁的线程都会被阻塞。当读写锁在读加锁状态时，所有试图以读模式对它进行加锁的线程都可以得到访问权，但是任何希望以写模式对此锁进行加锁的线程都会阻塞，直到所有的线程释放它们的读锁为止。

读写锁非常适合于对数据结构读的次数远大于写的情况。当读写锁在写模式下时，它所保护的数据结构就可以被安全地修改，因为一次只有一个线程可以在写模式下拥有这个锁。当读写锁在读模式下时，只要线程先读取了读模式下的读写锁，该锁保护的数据结构就可以被多个获得读模式锁的线程读取。

读写锁也叫做共享互斥锁。当读写锁是读模式锁住时，就可以说成是以共享模式锁住的。当它是写模式锁住的时候，就可以说成是以互斥模式锁住的。

带有超时的读写锁

与互斥量一样，Single UNIX Specification提供了带有超时的读写锁加锁函数，使应用程序在读取读写锁时避免陷入永久阻塞状态。

条件变量

条件变量是线程可用的另一种同步机制。条件变量给多个线程提供了一个会合的场所。条件变量与互斥量一起使用时，允许线程以无竞争的方式等待特定的条件发生。

条件本身是由互斥量保护的。线程在改变条件状态之前必须首先锁住互斥量。其他线程在获得互斥量之前不会察觉到这种改变，因为互斥量必须在锁定以后才能计算条件。

自旋锁

自旋锁与互斥量类似，但它不是通过休眠使进程阻塞，而是在获取锁之前一直处于忙等（自旋）阻塞状态。自旋锁可用于以下情况：锁被持有的时间短，而且线程并不希望在重新调度上花费太多的成本。

当线程自旋等待锁变为可用时，CPU不能做其他的事情。这也是自旋锁只能够被持有一小段时间的原因。

当自旋锁用在非抢占式内核中时是非常有用的：除了提供互斥机制以外，它们会阻塞中断，这样中断处理程序就不会让系统陷入死锁状态，因为它需要获取已被加锁的自旋锁（把中断想成是另一种抢占）。在这种类型的内核中，中断处理程序不能休眠，因此它们能用的同步原语只能是自旋锁。

但是，在用户层，自旋锁并不是非常有用，除非运行在不允许抢占的实时调度类中。运行在分时调度类中的用户层线程在两种情况下可以被取消调度：当它们的时间片到期时，或者具有更高调度优先级的线程就绪变成可运行时。在这些情况下，如果线程拥有自旋锁，它就会进入休眠状态，阻塞在锁上的其他线程自旋的时间可能会比预期的时间更长。

很多互斥量的实现非常高效，以至于应用程序采用互斥锁的性能与曾经采用过自旋锁的性能基本是相同的。事实上，有些互斥量的实现在试图获取互斥量的时候会自旋一小段时间，只有在自旋计数到达某一阈值的时候才会休眠。这些因素，加上现代处理器的进步，使得上下文切换越来越快，也使得自旋锁只在某些特定的情况下有用。

屏障（barrier）

屏障是用户协调多个线程并行工作的同步机制。屏障允许每个线程等待，直到所有的合作线程都到达某一点，然后从该点继续执行。我们已经看到一种屏障，pthread_join函数就是一种屏障，允许一个线程等待，直到另一个线程退出。

但是屏障对象的概念更广，它们允许任意数量的线程等待，直到所有的线程完成处理工作，而线程不需要退出。所有线程达到屏障后可以接着工作。