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一、同步機制的核心意義

在多線程/多進程編程中，當多個執行流共享資源（如變量、內存、文件）時，可能因操作順序不確定導致數據競爭（Data Race）。同步機制的作用是：

1. 保證原子性：確保關鍵代碼段（Critical Section）的獨占訪問。
2. 協調執行順序：控制線程/進程的執行順序（如生產者-消費者模型）。

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二、鎖（Mutex）

1. 基本概念

• 互斥鎖（Mutex）：最簡單的同步工具，確保同一時間只有一個線程訪問共享資源。
• 特性：鎖被占用時，其他嘗試獲取鎖的線程會被阻塞，直到鎖被釋放。

2. 使用步驟

1. 初始化鎖
2. 進入臨界區前加鎖
3. 退出臨界區后解鎖
4. 銷毀鎖

3. 示例：多線程計數器

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>int counter = 0;
pthread_mutex_t lock; // 定義互斥鎖void* increment(void* arg) {for (int i = 0; i < 100000; i++) {pthread_mutex_lock(&lock); // 加鎖counter++;pthread_mutex_unlock(&lock); // 解鎖}return NULL;
}int main() {pthread_t t1, t2;pthread_mutex_init(&lock, NULL); // 初始化鎖pthread_create(&t1, NULL, increment, NULL);pthread_create(&t2, NULL, increment, NULL);pthread_join(t1, NULL);pthread_join(t2, NULL);printf("Final counter: %d\n", counter); // 正確輸出 200000pthread_mutex_destroy(&lock); // 銷毀鎖return 0;
}

關鍵點：若不加鎖，counter++（非原子操作）會導致結果錯誤。

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三、信號量（Semaphore）

1. 基本概念

• 信號量：一種更通用的同步工具，可以控制多個線程對資源的訪問。
• 類型：
  • 二進制信號量：取值0或1，功能類似鎖。
  • 計數信號量：允許指定數量的線程同時訪問資源。

2. 使用場景

• 限制資源并發訪問數（如數據庫連接池）。
• 生產者-消費者模型（緩沖區大小控制）。

3. 示例：生產者-消費者模型

#include <semaphore.h>
#include <pthread.h>
#define BUFFER_SIZE 5int buffer[BUFFER_SIZE];
sem_t empty, full; // 定義信號量
int in = 0, out = 0;void* producer(void* arg) {for (int i = 0; i < 10; i++) {sem_wait(&empty); // 等待空位（empty-1）buffer[in] = i;in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;sem_post(&full); // 通知有數據（full+1）}return NULL;
}void* consumer(void* arg) {for (int i = 0; i < 10; i++) {sem_wait(&full); // 等待數據（full-1）printf("Consumed: %d\n", buffer[out]);out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;sem_post(&empty); // 釋放空位（empty+1）}return NULL;
}int main() {sem_init(&empty, 0, BUFFER_SIZE); // 初始空位數量=5sem_init(&full, 0, 0);            // 初始數據數量=0pthread_t p, c;pthread_create(&p, NULL, producer, NULL);pthread_create(&c, NULL, consumer, NULL);pthread_join(p, NULL);pthread_join(c, NULL);sem_destroy(&empty);sem_destroy(&full);return 0;
}

關鍵點：通過 empty 和 full 信號量協調生產者和消費者的執行順序。

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四、條件變量（Condition Variable）

1. 基本概念

• 條件變量：允許線程在某個條件不滿足時主動阻塞，并在條件滿足時被喚醒。
• 必須與互斥鎖配合使用：確保檢查和修改條件的原子性。

2. 使用場景

• 等待特定條件（如任務隊列非空）。
• 避免忙等待（Busy Waiting），節省CPU資源。

3. 示例：任務隊列調度

#include <pthread.h>
#include <stdbool.h>pthread_mutex_t lock;
pthread_cond_t cond;   // 條件變量
bool task_available = false;void* worker(void* arg) {pthread_mutex_lock(&lock);while (!task_available) {pthread_cond_wait(&cond, &lock); // 阻塞并釋放鎖，被喚醒后自動重新加鎖}printf("Processing task...\n");task_available = false;pthread_mutex_unlock(&lock);return NULL;
}void* scheduler(void* arg) {pthread_mutex_lock(&lock);task_available = true;pthread_cond_signal(&cond); // 喚醒等待的線程pthread_mutex_unlock(&lock);return NULL;
}int main() {pthread_t t_worker, t_scheduler;pthread_mutex_init(&lock, NULL);pthread_cond_init(&cond, NULL);pthread_create(&t_worker, NULL, worker, NULL);sleep(1); // 確保worker先進入等待pthread_create(&t_scheduler, NULL, scheduler, NULL);pthread_join(t_worker, NULL);pthread_join(t_scheduler, NULL);pthread_mutex_destroy(&lock);pthread_cond_destroy(&cond);return 0;
}

關鍵點：

• pthread_cond_wait 會原子性地釋放鎖并阻塞線程，被喚醒后重新獲取鎖。
• 必須使用 while 檢查條件（避免虛假喚醒）。

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五、三者的對比與選擇

機制	用途	特點
鎖	保護臨界區，確保獨占訪問	簡單、輕量，僅支持互斥
信號量	控制資源訪問數量或協調執行順序	靈活，支持計數和復雜同步邏輯
條件變量	等待特定條件成立	需與鎖配合，避免忙等待

選擇原則：

• 簡單互斥 → 鎖。
• 控制資源數量 → 信號量。
• 等待條件成立 → 條件變量。

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六、深入：常見問題與陷阱

1. 死鎖：

   • 場景：多個鎖未按順序獲取。
   • 解決：統一加鎖順序，或使用超時機制（如 pthread_mutex_trylock）。

2. 優先級反轉：

   • 場景：低優先級線程持有高優先級線程需要的鎖。
   • 解決：優先級繼承（如 pthread_mutexattr_setprotocol）。

3. 虛假喚醒：

   • 場景：pthread_cond_wait 可能無故返回。
   • 解決：始終在 while 循環中檢查條件。

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通過合理使用鎖、信號量和條件變量，可以構建高效且安全的并發程序。實際開發中需嚴格測試同步邏輯。