什麼是線程同步？

想象一下超市收銀台：如果所有顧客（線程）同時擠向同一個收銀台（共享資源），場面會一片混亂。線程同步就是給顧客們發"排隊號碼牌"，確保：

• 1. 有序訪問：每次只處理一個顧客
• 2. 協調工作：收銀員（CPU）高效服務
• 3. 避免衝突：防止算錯賬（數據錯誤）

Linux提供5種"排隊機制"解決多線程協作問題：

一、互斥鎖（單人洗手間規則）

#include <pthread.h>

// 創建鎖（相當於洗手間的"有人/無人"標識）
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void* thread_task(void* arg) {
        // 嘗試進入（如果裏面有人就排隊等待）
        pthread_mutex_lock(&lock);

        /* 臨界區開始（你的"私人時間"） */
        printf("Thread %d using resource\n", *(int*)arg);
        sleep(1); // 模擬耗時操作
        /* 臨界區結束 */

        // 開門出來（讓下一位使用）
        pthread_mutex_unlock(&lock);
        return NULL;
}

適用場景：

• 文件寫入操作
• 銀行賬户餘額修改
• 任何需要"獨享"資源的場景

特點：

• ✅ 簡單易用
• ⚠️ 過度使用會降低併發性能

二、條件變量（咖啡廳取餐系統）

pthread_cond_t order_ready = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t counter_lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int order_number = 0;

// 顧客線程（等待取餐）
void* customer(void* arg) {
        pthread_mutex_lock(&counter_lock);
        while(order_number == 0) { // 必須用while循環檢查
                pthread_cond_wait(&order_ready, &counter_lock); // 放下鎖等待通知
        }
        printf("Got order %d!\n", order_number);
        pthread_mutex_unlock(&counter_lock);
        return NULL;
}

// 廚師線程（通知取餐）
void* chef(void* arg) {
        sleep(2); // 模擬做飯時間
        pthread_mutex_lock(&counter_lock);
        order_number = 123;
        pthread_cond_signal(&order_ready); // 叫號通知顧客
        pthread_mutex_unlock(&counter_lock);
        return NULL;
}

工作流程：

• 1. 顧客：鎖定櫃枱 → 檢查訂單 → 等待叫號
• 2. 廚師：完成訂單 → 鎖定櫃枱 → 更新訂單 → 發送通知
• 3. 顧客：被喚醒 → 重新檢查 → 取餐

適用場景：

• 生產者-消費者模型（如消息隊列）
• 線程間任務協調

三、自旋鎖（搶車位）

pthread_spinlock_t parking_lock;

// 初始化鎖（停車場入口）
pthread_spin_init(&parking_lock, PTHREAD_PROCESS_PRIVATE); 

void* driver(void* arg) {
        // 開車繞圈找空位（CPU忙等待）
        pthread_spin_lock(&parking_lock);

        /* 停車成功（臨界區） */
        printf("Car %d parked\n", *(int*)arg);

        // 開走釋放車位
        pthread_spin_unlock(&parking_lock);
        return NULL;
}

適用場景：

• 極短操作（<0.1毫秒）
• 內核開發
• 實時系統

注意事項：

• ⚠️ 會浪費CPU資源
• ✅ 比互斥鎖響應更快

鎖類型對比表：

參考文章：Linux線程同步入門指南