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= C语言线程同步 =

== 介绍 ==
线程同步是多线程编程中的核心概念，指通过协调多个线程的执行顺序，确保它们以可预测的方式访问共享资源，从而避免'''竞态条件'''（Race Condition）和数据不一致问题。在C语言中，线程同步通常通过'''互斥锁'''（Mutex）、'''条件变量'''（Condition Variables）、'''信号量'''（Semaphores）等机制实现。

当多个线程同时访问共享数据（如全局变量或堆内存）时，如果没有同步机制，可能导致数据损坏或逻辑错误。例如：
* 线程A读取变量`x=10`后，线程B也读取`x=10`并修改为`x=20`，但线程A仍基于旧值`10`进行计算。

== 同步机制 ==

=== 互斥锁（Mutex） ===
互斥锁是最基础的同步工具，保证同一时间只有一个线程能访问临界区（Critical Section）。

<syntaxhighlight lang="c">
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int shared_data = 0;

void* increment(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex); // 加锁
    shared_data++;
    printf("Thread %ld: shared_data = %d\n", (long)arg, shared_data);
    pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t t1, t2;
    pthread_create(&t1, NULL, increment, (void*)1);
    pthread_create(&t2, NULL, increment, (void*)2);
    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);
    printf("Final shared_data: %d\n", shared_data);
    return 0;
}
</syntaxhighlight>

'''输出示例：'''
<pre>
Thread 1: shared_data = 1
Thread 2: shared_data = 2
Final shared_data: 2
</pre>

=== 条件变量（Condition Variables） ===
条件变量用于线程间的通知机制，常与互斥锁配合使用。典型场景是生产者-消费者模型。

<syntaxhighlight lang="c">
#include <pthread.h>

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
int data_ready = 0;

void* consumer(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while (!data_ready) {
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex); // 等待条件满足
    }
    printf("Consumed data\n");
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

void* producer(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    data_ready = 1;
    pthread_cond_signal(&cond); // 通知消费者
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}
</syntaxhighlight>

=== 信号量（Semaphores） ===
信号量用于控制对多个资源的访问，通过计数器实现。

<syntaxhighlight lang="c">
#include <semaphore.h>

sem_t semaphore;
void* task(void* arg) {
    sem_wait(&semaphore); // 信号量减1
    printf("Thread %ld entered critical section\n", (long)arg);
    sem_post(&semaphore); // 信号量加1
    return NULL;
}
</syntaxhighlight>

== 实际案例 ==
'''案例：多线程银行账户操作'''
两个线程同时向同一账户存款，需通过互斥锁保证余额正确性。

<mermaid>
sequenceDiagram
    participant ThreadA
    participant Account
    participant ThreadB
    ThreadA->>Account: 加锁
    Account->>ThreadA: 允许访问
    ThreadA->>Account: 存款100元
    ThreadA->>Account: 解锁
    ThreadB->>Account: 加锁
    Account->>ThreadB: 允许访问
    ThreadB->>Account: 存款200元
    ThreadB->>Account: 解锁
</mermaid>

== 常见问题 ==
* '''死锁'''：多个线程互相等待对方释放锁。解决方法包括按固定顺序获取锁或使用超时机制。
* '''优先级反转'''：低优先级线程持有高优先级线程所需的锁。可通过优先级继承解决。

== 数学表示 ==
线程同步的原子性可通过以下公式描述：
<math>
\text{Atomic Operation} = \text{Lock} + \text{Critical Section} + \text{Unlock}
</math>

== 总结 ==
线程同步是保证多线程程序正确性的关键。开发者需根据场景选择合适的同步机制，并注意避免死锁和性能瓶颈。

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