并发编程中的互斥锁、条件变量与同步机制

在并发编程中，互斥锁（Mutex）、条件变量（Condition Variable） 和 同步机制 都是为了解决多线程/进程间的资源共享和协作问题，但它们的应用场景和工作原理存在本质区别。以下是它们的核心差异和适用场景：

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1. 互斥锁（Mutex）

作用：

• 互斥锁用于保护共享资源，确保同一时间只有一个线程可以访问临界区（Critical Section）。

• 解决的是 “互斥”问题（Mutual Exclusion），即防止多个线程同时修改共享数据，避免竞态条件（Race Condition）。

工作原理：

• 线程进入临界区前加锁（lock），离开时解锁（unlock）。

• 其他线程在锁被占用时会阻塞，直到锁被释放。

示例场景：

pthread_mutex_t mutex;
int shared_counter = 0;

void* thread_func(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    shared_counter++; // 临界区操作
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

特点：

• 简单直接，仅解决资源独占访问问题。

• 无法处理线程间的协作问题（如等待某个条件成立）。

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2. 条件变量（Condition Variable）

作用：

• 条件变量用于线程间的协作，允许线程在某个条件不满足时主动等待，并在条件满足时被唤醒。

• 解决的是 “同步”问题（Synchronization），即线程需要等待特定条件成立才能继续执行。

工作原理：

• 条件变量必须与互斥锁配合使用，以确保操作的原子性。

• 线程在条件不满足时调用 pthread_cond_wait()，释放锁并进入阻塞状态。

• 其他线程在修改条件后调用 pthread_cond_signal() 或 pthread_cond_broadcast() 唤醒等待的线程。

示例场景（生产者-消费者模型）：

pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;
int buffer_size = 0;

// 生产者线程
void* producer(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    buffer_size++;
    pthread_cond_signal(&cond); // 唤醒等待的消费者
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

// 消费者线程
void* consumer(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while (buffer_size == 0) {
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex); // 释放锁并等待条件成立
    }
    buffer_size--;
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

特点：

• 解决线程间的协作问题，避免忙等待（Busy Waiting），节省 CPU 资源。

• 必须与互斥锁一起使用，以确保检查条件和进入等待的原子性。

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3. 关键区别

特性	互斥锁（Mutex）	条件变量（Condition Variable）
核心功能	保护共享资源，防止并发修改	线程间协作，等待条件成立并通知
解决的问题	互斥（Mutual Exclusion）	同步（Synchronization）
是否主动阻塞	是（其他线程在锁被占用时阻塞）	是（线程主动等待条件成立）
是否需要配合其他机制	独立使用	必须与互斥锁配合使用
典型场景	临界区保护（如计数器、链表操作）	生产者-消费者、线程池任务调度

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4. 为什么条件变量必须配合互斥锁？

1. 原子性：检查条件和进入等待必须是原子的，否则可能丢失唤醒信号。

   • 例如：消费者线程检查 buffer_size == 0 后，在调用 pthread_cond_wait() 前，生产者可能已经修改了 buffer_size 并发送了信号，导致消费者永远错过唤醒。

2. 避免竞态条件：互斥锁确保在修改条件时，其他线程无法干扰。

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5. 常见误区

误区 1：仅用互斥锁实现条件等待

// 错误示例：忙等待（浪费 CPU）
while (buffer_size == 0) {
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    sleep(1); // 低效的轮询
    pthread_mutex_lock(&mutex);
}

• 问题：线程不断轮询检查条件，浪费 CPU 资源。

• 解决：使用条件变量让线程休眠，直到条件成立。

误区 2：忘记在 pthread_cond_wait() 前检查条件

// 错误示例：可能在虚假唤醒（Spurious Wakeup）时出错
pthread_cond_wait(&cond, &mutex); // 没有 while 循环包裹
buffer_size--;

• 问题：即使条件未成立，线程也可能被唤醒（如信号中断或虚假唤醒）。

• 解决：始终在循环中检查条件：

  while (buffer_size == 0) {
      pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
  }
  

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6. 总结

• 互斥锁：解决“独占访问”问题，确保临界区安全。

• 条件变量：解决“条件等待”问题，实现线程间高效协作。

• 二者关系：条件变量是互斥锁的补充，用于解决更复杂的同步场景。
  互斥锁是“锁”，条件变量是“信号”。

实际开发中，通常需要同时使用二者（例如生产者-消费者模型）。理解它们的区别和协作方式，是编写高效、安全并发程序的关键。

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