线程同步是多线程编程中确保线程有序协作、避免竞态条件的关键机制。以下是常见的线程同步方式及其原理和应用场景：
一、基础锁机制
- 互斥锁 (Mutex)
- 原理：类似“厕所门锁”，同一时间仅允许一个线程进入临界区。
- 代码示例 (C++):
std::mutex mtx;
mtx.lock();
// 临界区操作
mtx.unlock();
- 适用场景：保护共享数据的读写操作。
- 读写锁 (Read-Write Lock)
- 原理：允许多个读线程并发，但写线程独占（读时共享，写时互斥）。
- 代码示例 (Java):
ReentrantReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();
rwLock.readLock().lock(); // 读锁
rwLock.writeLock().lock(); // 写锁
- 适用场景：读多写少的场景（如缓存系统）。
- 自旋锁 (Spinlock)
- 原理：线程通过循环忙等（while(locked)）而非阻塞等待锁释放。
- 优势：避免上下文切换，适合短临界区。
- 风险：长时间自旋浪费CPU。
二、信号量 (Semaphore)
- 原理：维护一个计数器，控制同时访问资源的线程数量。
- P() (Wait)：计数器减1，若<0则阻塞
- V() (Signal)：计数器加1，唤醒等待线程
- 代码示例 (Python)：
import threading
sem = threading.Semaphore(3) # 允许3个线程同时访问
def task():
sem.acquire()
# 访问资源（最多3线程并发）
sem.release()
- 应用场景：
- 限制数据库连接池并发数
- 生产者-消费者模型（控制缓冲区大小）
三、条件变量 (Condition Variable)
- 原理：让线程在条件不满足时主动阻塞，条件满足时被唤醒。必须与互斥锁配合使用。
- 关键操作：
- wait()：释放锁并阻塞
- signal()/notify()：唤醒一个等待线程
- broadcast()/notifyAll()：唤醒所有等待线程
- 代码示例 (Java 生产者-消费者):
Lock lock = new ReentrantLock();
Condition notEmpty = lock.newCondition();
// 生产者
lock.lock();
try {
while (buffer.isFull())
notEmpty.await(); // 等待非空
buffer.add(item);
notFull.signal(); // 通知消费者
} finally { lock.unlock(); }
四、屏障 (Barrier)
- 原理：强制多个线程在屏障点等待，直到所有线程到达后才继续执行。
- 代码示例 (C#):
Barrier barrier = new Barrier(3); // 需等待3个线程
void Worker() {
// 阶段1操作
barrier.SignalAndWait(); // 等待所有线程完成阶段1
// 阶段2操作
}
- 应用场景：并行计算中多阶段任务同步（如MapReduce）。
五、原子操作 (Atomic Operations)
- 原理：通过CPU指令实现不可中断的单一操作（如CAS: Compare-And-Swap）。
- 优势：无锁同步，避免死锁和上下文切换。
- 代码示例 (C++):
std::atomic<int> counter(0);
counter.fetch_add(1); // 原子自增
- 典型类型：AtomicInteger、AtomicReference等。
六、其他高级同步机制
机制 | 描述 |
管程 (Monitor) | 语言级同步封装（如Java synchronized 关键字） |
Future/Promise | 异步任务结果同步（如Java Future.get() 阻塞至结果就绪） |
消息队列 | 通过传递消息解耦线程（如Go的Channel、Actor模型） |
读写屏障 | 控制内存访问顺序（如Java volatile 保证可见性） |
选择同步方式的考量因素
- 性能：自旋锁（短临界区） vs 互斥锁（长临界区）
- 复杂度：无锁编程 > 锁机制 > 高级抽象
- 公平性：是否需保证线程唤醒顺序（公平锁 vs 非公平锁）
- 场景适配：
- 互斥锁 → 简单数据保护
- 信号量 → 资源池限制
- 条件变量 → 多线程协作（生产者-消费者）
- 屏障 → 分阶段并行任务
最佳实践：优先使用高层抽象（如并发集合、异步框架），减少手动同步代码量；对性能敏感场景可深入底层锁或无锁编程。