一、基础锁类型¶

互斥锁（Mutex）
用于确保同一时刻仅有一个线程访问共享资源。
• 特点：简单易用，但可能导致线程阻塞和饥饿问题。
• 实现示例：C++的 std::mutex、Java的 synchronized 关键字、Python的 threading.Lock。
读写锁（Read-Write Lock）
允许多个线程同时读取资源，但写入时独占访问。
• 适用场景：读操作远多于写操作（如缓存系统）。
• 实现示例：Java的 ReentrantReadWriteLock、C++的 std::shared_mutex。
自旋锁（Spinlock）
线程在获取锁失败时循环检查锁状态，而非阻塞。
• 适用场景：锁持有时间极短且避免线程切换的开销（如高频短任务）。
• 注意：长时间自旋可能导致CPU资源浪费。
递归锁（Recursive Lock）
允许同一线程多次获取同一把锁，避免递归函数中的死锁。
• 实现示例：C++的 std::recursive_mutex、Java的 ReentrantLock。
信号量（Semaphore）
通过计数器控制资源访问数量，支持多线程并发访问。
• 适用场景：连接池、限流等。
条件变量（Condition Variable）
用于线程间协作，结合互斥锁实现特定条件的等待与通知（如生产者-消费者模型）。

二、锁的分类标准¶

悲观锁 vs 乐观锁
• 悲观锁：假定并发冲突高，直接加锁（如互斥锁、读写锁）。
• 乐观锁：假定冲突低，通过版本号或CAS（Compare-And-Swap）机制检测冲突（如数据库的MVCC）。
公平锁 vs 非公平锁
• 公平锁：按请求顺序分配锁（如 ReentrantLock(true)）。
• 非公平锁：允许插队获取锁（默认策略，性能更高）。
可重入锁 vs 不可重入锁
• 可重入锁：同一线程可多次获取锁（如 synchronized 和 ReentrantLock）。
• 不可重入锁：仅允许单次获取（如早期的 Mutex）。

三、其他高级锁机制¶

StampedLock（优化读写锁）
C++和Java中提供，支持乐观读锁，减少锁竞争。
CountDownLatch/CyclicBarrier
用于线程同步（如等待多个任务完成）。
Exchanger
允许两个线程在特定点交换数据（如管道通信）。

四、选择锁的考量因素¶

锁粒度：粗粒度锁降低并发性，细粒度锁增加复杂度。
持有时间：尽量减少锁的持有时间以降低竞争。
性能与资源消耗：自旋锁适合短任务，互斥锁适合长任务。
错误处理：需处理锁获取失败（如超时、中断）。

五、常见问题与优化¶

• 死锁：避免方法包括按顺序获取锁、设置超时（如 tryLock）。
• 活锁：通过随机退避或优先级调度解决。
• 锁优化：锁降级（写锁转读锁）、锁拆分（减少竞争范围）。

临界区¶

一、临界区的核心特性¶

互斥访问
同一时刻仅允许一个线程进入临界区，其他线程必须等待当前线程退出后才能访问。例如，若两个线程同时修改同一全局变量，未加保护的临界区可能导致数据损坏。
关联临界资源
临界资源指被共享且需互斥使用的资源（如打印机、共享变量等），临界区则是操作这些资源的代码段。例如，对共享数组的读写操作必须通过临界区保护。
有限时间停留
进入临界区的线程需在有限时间内完成操作并退出，否则会导致其他线程无限等待，引发性能问题或资源饥饿。

二、临界区的管理原则¶

为确保安全性和效率，临界区需满足以下要求： 1. 互斥性：同一时刻仅一个线程可进入相关临界区。 2. 有限等待：线程等待进入临界区的时间必须有上限。 3. 非阻塞性：无法进入临界区的线程应释放CPU资源，避免“忙等”（如通过挂起或让出CPU）。 4. 独立性：不相关的临界区（操作不同资源）可并行执行。

三、临界区的实现机制¶

互斥锁（Mutex）
通过锁定和解锁操作实现互斥。例如，C++的 std::mutex 或 Linux的 pthread_mutex_lock()，线程进入临界区前加锁，退出时解锁。
信号量（Semaphore）
使用计数器控制并发访问数量。二元信号量（初始值为1）可等效为互斥锁。例如，数据库连接池可通过信号量限制同时访问的线程数。
条件变量（Condition Variable）
结合互斥锁实现线程间协作。例如，生产者-消费者模型中，消费者线程在缓冲区空时等待条件变量触发。
原子操作与无锁编程
通过硬件支持的原子指令（如CAS）直接操作共享资源，避免锁的开销。适用于高频短任务，但实现复杂度较高。

四、临界区的应用注意事项¶

最小化临界区范围
仅保护必须互斥的代码段，减少锁持有时间。例如，避免在临界区内执行I/O操作或用户输入等待。
避免死锁与活锁
按固定顺序获取锁，设置超时机制（如 tryLock），或使用死锁检测算法。
性能权衡
锁机制可能引入上下文切换或CPU自旋开销。例如，自旋锁适合短临界区，而互斥锁适合长任务。

五、示例场景¶

• 线程安全计数器：通过互斥锁保护全局计数器变量的自增操作，确保多线程下的结果正确（如代码示例）。 • 共享缓冲区同步：使用条件变量协调生产者和消费者线程，防止缓冲区溢出或读空。

总结¶

临界区是并发编程中保护共享资源的核心机制，其设计需平衡安全性、性能和复杂度。开发者需根据具体场景选择同步原语（如互斥锁、信号量等），并遵循最小化保护范围、避免阻塞等最佳实践。