【进阶】线程同步与锁机制

# 2.1 锁机制

锁机制是线程同步最常用的方法之一，它通过控制对共享资源的访问来实现线程同步。锁机制主要分为以下几种类型：

### 2.1.1 互斥锁

互斥锁（Mutex）是一种最基本的锁机制，它保证同一时刻只有一个线程可以访问共享资源。互斥锁的实现通常使用一个二进制变量（flag），当该变量为 0 时表示锁已被占用，当该变量为 1 时表示锁未被占用。

**代码示例：**

// 创建互斥锁
pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

// 加锁
pthread_mutex_lock(&mutex);

// 访问共享资源

// 解锁
pthread_mutex_unlock(&mutex);

# 2. 线程同步机制

线程同步机制是协调多线程并发执行、确保数据一致性和程序正确性的关键技术。它通过控制线程对共享资源的访问，防止出现数据竞争和程序崩溃等问题。根据实现方式的不同，线程同步机制可分为锁机制和无锁机制。

### 2.1 锁机制

锁机制是线程同步中最常用的方法，它通过对共享资源加锁来实现互斥访问。当一个线程获取锁后，其他线程将被阻塞，直到该线程释放锁。锁机制主要包括互斥锁、读写锁和自旋锁。

#### 2.1.1 互斥锁

互斥锁（Mutex）是最基本的锁机制，它保证同一时刻只有一个线程可以访问共享资源。互斥锁的实现通常使用原子操作，例如 test-and-set 指令，以确保锁的原子性。

// 互斥锁的加锁和解锁操作
void mutex_lock(mutex_t *mutex) {
    while (test_and_set(mutex, 1)) {
        // 自旋等待，直到锁被释放
    }
}

void mutex_unlock(mutex_t *mutex) {
    *mutex = 0;
}

互斥锁的优点是简单易用，缺点是容易产生死锁问题。当多个线程同时竞争同一把互斥锁时，可能形成环形等待，导致所有线程都无法获取锁。

#### 2.1.2 读写锁

读写锁是一种特殊的锁机制，它允许多个线程同时读取共享资源，但只能有一个线程写入共享资源。读写锁的实现通常使用原子操作和一个读写计数器。

// 读写锁的加锁和解锁操作
void rwlock_read_lock(rwlock_t *rwlock) {
    while (test_and_set(&rwlock->write_lock, 1)) {
        // 自旋等待，直到写锁被释放
    }
    rwlock->read_count++;
}

void rwlock_read_unlock(rwlock_t *rwlock) {
    rwlock->read_count--;
    if (rwlock->read_count == 0) {
        *rwlock->write_lock = 0;
    }
}

void rwlock_write_lock(rwlock_t *rwlock) {
    while (test_and_set(&rwlock->write_lock, 1)) {
        // 自旋等待，直到写锁被释放
    }
    rwlock->read_count = 0;
}

void rwlock_write_unlock(rwlock_t *rwlock) {
    *rwlock->write_lock = 0;
}

读写锁的优点是提高了并发性，允许多个线程同时读取共享资源。缺点是实现比互斥锁复杂，并且在写操作频繁的情况下可能导致读操作饥饿。

#### 2.1.3 自旋锁

自旋锁是一种特殊的锁机制，它通过让等待锁的线程自旋等待，而不是阻塞，来减少锁竞争的开销。自旋锁的实现通常使用原子操作和一个自旋计数器。

// 自旋锁的加锁和解锁操作
void spinlock_lock(spinlock_t *spinlock) {
    while (test_and_set(&spinlock->lock, 1)) {
        // 自旋等待，直到锁被释放
    }
}

void spinlock_unlock(spinlock_t *spinlock) {
    *spinlock->lock = 0;
}

自旋锁的优点是性能比互斥锁高，缺点是自旋等待会消耗 CPU 资源，在竞争激烈的场景下可能导致 CPU 过载。

### 2.2 无锁机制

无锁机制是一种不使用锁的线程同步技术，它通过巧妙的数据结构和算法设计来保证数据一致性。无锁机制主要包括原子操作、乐观锁和 CAS 算法。

#### 2.2.1 原子操作

原子操作是一种不可中断的操作，它保证操作的原子性，即操作要么全部执行，要么不执行。原子操作通常由硬件指令实现，例如 load-linked/store-conditional 指令。

// 原子地增加一个变量
int atomic_increment(int *var) {
    return