进程同步与互斥的基本概念

一、前提：并发与共享引发的问题

多道程序环境下，进程并发执行，且会访问共享资源（硬件设备、全局变量、缓冲区、文件等）。 多个进程同时读写共享数据时，执行结果不可预期，这种现象称为竞态条件（Race Condition）。 为规避竞态条件、保证数据一致性与执行逻辑正确，引入进程同步与互斥机制。

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二、临界区（Critical Section）

1. 定义

进程中访问共享资源的代码片段，是引发竞态条件的根源。 其余不访问共享资源的代码，称为剩余区。

2. 临界区使用四大准则（必考）

1. 空闲让进：临界区无人使用时，允许请求进入的进程立即进入。
2. 忙则等待：临界区已被占用，其他请求进程必须等待。
3. 有限等待：等待的进程不能无限阻塞，在有限时间内一定能进入临界区（避免饥饿）。
4. 让权等待：进程等待时，主动放弃 CPU，不忙等（提升 CPU 利用率）。

补充：忙等（忙等待）：进程循环检测临界区状态，一直占用 CPU。

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三、进程互斥（Mutual Exclusion）

1. 定义

多个竞争关系的进程，同一时刻最多只能有一个进程进入临界区访问共享资源；一个进程在临界区时，其他进程必须等待。

2. 核心特征

• 关系：进程间相互竞争共享资源，无固定执行顺序。
• 目的：保证共享资源的独占访问，杜绝同时操作。
• 典型场景：独占设备（打印机）、全局变量、账户余额修改。

3. 通俗理解

排他使用，你用我就不能用。

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四、进程同步（Synchronization）

1. 定义

多个协作关系的进程，按照预先规定的先后次序执行；一个进程的执行依赖另一个进程的运行结果，形成执行顺序约束。

2. 核心特征

• 关系：进程间相互协作，存在逻辑依赖。
• 目的：协调执行顺序，保证业务逻辑正确。
• 典型场景：生产者 - 消费者、数据先写入再读取、流水线任务。

3. 通俗理解

有序执行，你做完，我才能做。

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五、互斥与同步的区别与联系

1. 核心区别

对比项	进程互斥	进程同步
进程关系	竞争关系，互不依赖	协作关系，存在执行依赖
核心要求	禁止同时进入临界区	保证固定先后执行顺序
访问规则	随机竞争，谁先抢到谁执行	顺序固定，强制等待前驱进程

2. 联系

1. 二者都是为了解决并发进程访问共享资源的问题，保障执行正确性。
2. 同步场景中通常包含互斥：例如生产者 - 消费者，既要控制生产 / 消费顺序（同步），又要独占访问缓冲区（互斥）。
3. 二者可使用同一套工具实现（信号量、锁等）。

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六、两类典型制约关系

从逻辑上划分，并发进程的制约分为两种，对应同步与互斥：

1. 间接制约（源于资源共享） → 对应互斥 多个进程争抢同一独占资源，相互制约。
2. 直接制约（源于进程合作） → 对应同步 进程间有数据 / 任务传递，一方执行依赖另一方的结果。

Linux 下的同步与互斥

一、Linux 下的同步互斥 = 3 层结构

从 操作系统原理 → 内核实现 → 你写代码用的 API

上层：你用的接口（mutex、sem、rwlock、futex）
中层：内核同步原语（信号量、自旋锁、互斥锁、完成量）
下层：硬件原子指令（CAS、atomic、lock 指令）

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二、Linux 同步互斥的核心思想

1. 互斥（Mutual Exclusion）

保护共享资源，同一时间只能有一个执行单元访问。

Linux 实现方式：

• mutex 互斥锁
• spinlock 自旋锁
• atomic 原子操作

本质：把多线程并行 → 变成临界区串行。

2. 同步（Synchronization）

让多个进程 / 线程按顺序执行，你做完我再做。

Linux 实现方式：

• 信号量（semaphore）
• 条件变量（pthread_cond_t）
• 完成量（completion）
• 等待队列（wait queue）

本质：控制执行顺序，解决生产者 - 消费者模型。

三、Linux 最核心的 4 种同步机制（操作系统级）

1）互斥锁（mutex）→ 最常用

Linux 应用层 & 内核层最标准的互斥工具。

原理（操作系统角度）

• 底层基于 futex（快速用户态互斥锁）
• 无竞争时：用户态完成，不进内核
• 有竞争时：阻塞线程，不占 CPU（让权等待）

pthread_mutex_t lock;

pthread_mutex_lock(&lock);    // 进入临界区
临界区代码
pthread_mutex_unlock(&lock);  // 退出临界区

操作系统特点

• 睡眠等待，不浪费 CPU
• 临界区可以很长
• 应用层开发 90% 用这个

2）信号量（semaphore）→ 同步 + 互斥全能

原理

• 计数器 + 等待队列
• P 操作（down）：申请资源，计数器 - 1
• V 操作（up）：释放资源，计数器 + 1

两种用法

1. 互斥：sem = 1
2. 同步：sem = 0 / 资源数

Linux API

sem_t sem;

sem_wait(&sem);    // P
sem_post(&sem);    // V

操作系统定位

信号量 = 通用同步互斥工具 互斥锁是信号量的特例（=1）。

3）自旋锁（spinlock）→ 内核专用

原理

• 加锁失败时 while 循环忙等待
• 不睡眠，不切换进程

适用场景

• 临界区非常短
• 中断上下文
• 多核 SMP 环境

特点（操作系统重点）

• 不睡眠、不调度、不释放 CPU
• 不能在自旋锁里调用可能阻塞的函数

4）条件变量（condition variable）→ 同步专用

Linux 下实现 “等待 - 唤醒” 最标准工具。

原理

• 线程可以 主动等待某个条件成立
• 另一个线程完成后唤醒它

典型模型

• 生产者 - 消费者
• 缓冲区空 / 满等待

pthread_mutex_lock(&lock);

while(条件不满足)
    pthread_cond_wait(&cond, &lock);  // 等待并释放锁

// 操作共享资源

pthread_mutex_unlock(&lock);