同步原语

同步原语（synchronization primitives）是用于协调多个线程或进程对共享资源的访问，防止数据竞争和状态不一致的关键工具。同步原语分为线程级和进程级，进程级往往需要内核的支持。

大多数语言都是 C 语言系的，C 语言中的锁为上层高级语言提供底层支持。

线程同步原语

线程同步原语（Linux 下基于 pthread）。这些原语定义在 <pthread.h> 中，仅在线程之间共享内存的环境下使用。

互斥锁

作用：实现互斥访问，一次只允许一个线程进入临界区。 常用函数：

pthread_mutex_init()
pthread_mutex_lock()
pthread_mutex_unlock()
pthread_mutex_destroy()

自旋锁

• 比互斥锁更轻量，在锁短时间持有时效率更高。
• 线程会忙等（不断循环）直到获得锁，适合嵌入式或无调度环境。
• 函数：

pthread_spin_init()
pthread_spin_lock()
pthread_spin_unlock()
pthread_spin_destroy()

读写锁

• 允许多个线程同时读，但写操作必须独占。
• 用于读多写少的场景。
• 函数：

pthread_rwlock_init()
pthread_rwlock_rdlock()
pthread_rwlock_wrlock()
pthread_rwlock_unlock()

条件变量

• 用于线程之间的等待/通知机制，配合互斥锁使用。
• 类似于“事件队列”中的 wait/signal。
• 函数：

pthread_cond_wait()
pthread_cond_signal()
pthread_cond_broadcast()

屏障

• 使一组线程在某个点同步并等待，直到所有线程都到达屏障。
• 用于阶段性分批执行的线程协作。

乐观锁

尝试拿锁，如果拿不到就再次尝试，如果再拿不到直接放弃操作，返回失败。乐观锁是一种设计思维，而不是固定的

特点	乐观锁	悲观锁
加锁方式	不加锁，更新时检测冲突	加锁，访问时就互斥
冲突代价	冲突时失败或重试，代价较高	冲突时阻塞等待
并发性能	并发高，适合读多写少	并发低，适合写多或强一致性
实现方式	版本号 / 时间戳 / CAS	显式锁（mutex）/ 行锁 / 表锁

CREATE TABLE product (
    id INT PRIMARY KEY,
    stock INT,
    version INT
);

-- A 线程
UPDATE product SET stock = 9, version = 6 WHERE id = 1 AND version = 5;

-- B 线程，失败，因为 version 不正确
UPDATE product SET stock = 9, version = 6 WHERE id = 1 AND version = 5;

原子操作原语

定义在 <stdatomic.h> 或 GCC 内建函数中，无需加锁，使用 CPU 指令实现并发安全。

atomic_int、atomic_bool、atomic_flag 等

atomic_int count = 0;
atomic_fetch_add(&count, 1);

用于无锁队列、自旋锁等高性能场景。

进程间同步原语

用于多个进程之间同步/通信，多数涉及内核支持：

信号量

• 头文件：<semaphore.h>
• 区分为线程间同步（无名信号量）与进程间同步（命名信号量或放在共享内存中）
• 函数：

sem_init()
sem_wait()
sem_post()
sem_destroy()

futex（Fast Userspace Mutex Linux 特有）

• 系统调用级别的原语，允许用户态等待锁竞争失败时才进入内核态，用于构建高性能锁。
• 原型：

int futex(int *uaddr, int op, int val, const struct timespec *timeout, int *uaddr2, int val3);

通常不直接调用 futex()，而是由 pthread、glibc、Rust、Go 等线程库内部使用。

使用对比表

原语	用于	粒度	需要内核支持	适合场景
mutex	线程	中等	否（用户空间）	常规临界区保护
rwlock	线程	中等	否	多读少写的资源
cond	线程	中等	是（可能休眠）	等待事件或条件发生
atomic	线程/进程	小	否	简单数值/标志更新
spinlock	线程	小	否	短时间争用
barrier	线程	中等	否	多线程阶段同步
sem_t	线程/进程	中等	是	计数信号量场景
futex	线程/进程	高级	是	构建低延迟锁机制