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操作系统学习（八）——同步

news 2025/6/7 21:59:16

一、同步

在操作系统和并发编程中，同步（Synchronization） 是指协调多个线程或进程之间的执行顺序，以保证程序的正确性与一致性。
同步的核心目的在于解决共享资源访问、线程调度顺序等问题，避免竞态条件（Race Condition）、数据不一致或死锁。

同步 = 保证多个线程/进程按照一定顺序协作执行，共享数据的一致性与完整性得以维护。

举例说明：

两个线程同时修改一个全局变量，如果不进行同步，最终结果可能错误。
消费者线程不能消费一个还没被生产者生产出来的数据项，这就需要同步。

二、同步 vs 互斥

对比项	互斥（Mutual Exclusion）	同步（Synchronization）
目的	防止多个线程同时访问共享资源	保证多个线程按指定顺序协作执行
关键字	关键段、互斥锁	信号量、条件变量、屏障等
是否通信	否，侧重排他	是，侧重协调和等待/通知
示例	多线程写同一文件需加锁	消费者等待生产者生产数据

三、常见同步机制

同步机制	描述
信号量（Semaphore）	用于控制访问共享资源的数量或线程的同步
条件变量（Condition Variable）	线程等待某个条件成立后被唤醒
屏障（Barrier）	多个线程相互等待，全部达到屏障点再继续
事件（Event）	用于线程之间通知/唤醒
原子操作（Atomic）	无需锁的同步方式（如 `std::atomic`）

四、同步机制详细解析

1. 信号量（Semaphore）

是一个计数器变量，用于控制多个线程对资源的访问。
常见两种类型：
- 二值信号量（Binary Semaphore）：只允许一个线程访问（类似互斥锁）；
- 计数信号量（Counting Semaphore）：允许多个线程同时访问资源。

POSIX 信号量 API：

函数	描述
`sem_init`	初始化信号量
`sem_wait`（P操作）	等待信号量，值减1
`sem_post`（V操作）	释放信号量，值加1
`sem_destroy`	销毁信号量

示例1（POSIX）—— 互斥（代替互斥锁）：

sem_t mutex;
sem_init(&mutex, 0, 1);  // 初始化为 1（只有1个线程能进入）// 线程代码
sem_wait(&mutex);   // 等待进入临界区
// 访问共享资源
sem_post(&mutex);   // 离开临界区，释放资源

示例2（POSIX）—— 线程同步：
示例：一个线程等待另一个线程完成某事。

sem_t ready;
sem_init(&ready, 0, 0);void* producer(void*) 
{// 做一些准备工作sem_post(&ready); // 通知消费者
}void* consumer(void*) 
{sem_wait(&ready); // 等待生产者通知// 开始消费
}

示例3（POSIX）—— 资源计数：
控制同一时间最多 N 个线程进入某区域。

sem_t sem;
sem_init(&sem, 0, N); // 最多允许 N 个并发void* worker(void*) 
{sem_wait(&sem);   // 有“票”才能进入// 执行任务sem_post(&sem);   // 释放“票”
}

2. 条件变量（Condition Variable）

用于线程等待一个特定条件的发生；
常与互斥锁搭配使用。

关键函数接口：

函数	作用
`pthread_cond_init()`	初始化条件变量
`pthread_cond_wait()`	等待条件，阻塞线程
`pthread_cond_signal()`	唤醒一个等待线程
`pthread_cond_broadcast()`	唤醒所有等待线程
`pthread_cond_destroy()`	销毁条件变量

示例（POSIX，生产者-消费者）：

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
int ready = 0;void* producer(void* arg) 
{sleep(1); // 模拟生产时间pthread_mutex_lock(&mutex);ready = 1;printf("生产者：资源已就绪，通知消费者\n");pthread_cond_signal(&cond);  // 通知消费者pthread_mutex_unlock(&mutex);return NULL;
}void* consumer(void* arg) 
{pthread_mutex_lock(&mutex);while (!ready) {printf("消费者：等待资源...\n");pthread_cond_wait(&cond, &mutex);  // 自动解锁并阻塞，直到被唤醒}printf("消费者：收到通知，开始处理资源\n");pthread_mutex_unlock(&mutex);return NULL;
}int main() 
{pthread_t prod, cons;pthread_create(&prod, NULL, producer, NULL);pthread_create(&cons, NULL, consumer, NULL);pthread_join(prod, NULL);pthread_join(cons, NULL);pthread_mutex_destroy(&mutex);pthread_cond_destroy(&cond);return 0;
}

3. 屏障（Barrier）

关键函数接口：

函数名	作用
`pthread_barrier_init()`	初始化屏障对象
`pthread_barrier_wait()`	等待屏障，同步点
`pthread_barrier_destroy()`	销毁屏障对象

用于多线程并发场景，强制线程等待，直到全部线程都到达屏障点，才统一继续执行。

示例（POSIX）：

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>#define THREAD_COUNT 3
pthread_barrier_t barrier;void* task(void* arg) 
{int id = *(int*)arg;printf("线程 %d 开始第一阶段工作\n", id);sleep(id);  // 模拟不同线程执行速度printf("线程 %d 到达屏障，等待其他线程...\n", id);pthread_barrier_wait(&barrier);  // 所有线程到达后继续printf("线程 %d 通过屏障，开始第二阶段工作\n", id);return NULL;
}int main() {pthread_t threads[THREAD_COUNT];int ids[THREAD_COUNT];pthread_barrier_init(&barrier, NULL, THREAD_COUNT);for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; ++i) {ids[i] = i + 1;pthread_create(&threads[i], NULL, task, &ids[i]);}for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; ++i)pthread_join(threads[i], NULL);pthread_barrier_destroy(&barrier);return 0;
}

4. 原子操作（Atomic）

使用底层硬件指令支持的原子性操作，无需加锁；
适用于简单变量（计数器、自增等）。

示例（C++）：

#include <atomic>
std::atomic<int> counter = 0;void thread_func() 
{counter++; // 原子自增，无需加锁
}

五、同步的经典问题

1. 生产者-消费者问题

问题描述：一个线程生产数据，一个线程消费，必须保证：生产→消费→再生产→…
解决方式：信号量 + 条件变量。

2. 哲学家就餐问题

问题描述：五位哲学家围坐，每人要用左右筷子才能吃饭，互相抢资源导致死锁。
解决方式：通过设定拿筷子的顺序、加入等待/超时机制解决同步问题。

六、同步存在的问题

问题	描述
死锁	多个线程相互等待资源，永远阻塞
优先级反转	高优线程被低优线程阻塞
忙等待	无效循环等待条件满足，浪费CPU
性能下降	同步过多导致串行执行

七、应用场景

场景	所需同步机制
限制并发访问数据库连接池	信号量
多线程按顺序执行任务	条件变量
并行计算中的任务阶段同步	屏障
共享数据的并发计数	原子变量