大家好，今天和大家聊一聊Linux線程同步相關的知識，線程同步相關的知識值得花時間好好研究，要設計出高性能軟件架構，必須學好Linux線程同步，對Linux線程同步原理有深刻的認知。

1.背景知識

1.1 原子變量和原子操作

原子變量和原子操作是多線程編程中的重要概念，用于保證多線程環境下的數據同步和互斥。原子操作是指不會被線程調度機制打斷的操作，一旦開始就會一直運行到結束，中間不會切換到其他進程。原子變量是原子操作的基本單位。

C11標準引入了原子類型和原子操作，用于在多線程環境下保證數據的同步和一致性。

常見原子變量類型：

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常見原子操作：

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1.2 futex系統調用

futex是Linux內核提供的一種系統調用，用于實現用戶空間線程之間的同步和互斥。它是fast userspace mutex的縮寫，意為快速用戶空間互斥鎖。futex的主要作用是在用戶空間實現鎖和條件變量，避免了用戶空間和內核空間之間的頻繁切換，從而提高了多線程程序的性能。

futex系統調用的基本用法是：

一個線程在需要鎖或等待條件變量時，調用futex系統調用，將自己掛起。

另一個線程在釋放鎖或改變條件變量時，調用futex系統調用，喚醒等待的線程。

1.2.1 futex函數原型

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

功能：futex函數是Linux內核提供的一種輕量級的鎖機制，它可以用于用戶空間進程間的同步。

參數：

uaddr：指向等待的變量的指針。

futex_op：表示要執行的操作，可以是以下值之一：

• FUTEX_WAIT：等待變量的值變為指定值。
• FUTEX_WAKE：喚醒等待變量的線程。

val：與操作相關的值。

timeout：超時時間。

uaddr2：第二個等待變量的指針。

val3：與第二個等待變量相關的值。

1.2.2  futex實現原理

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通過futex系統調用執行FUTEX_WAIT命令，可以將線程掛起，futex傳入的uaddr參數會通過hash函數轉換成hash值，通過hash值能索引到futex_hash_bucket，此時會創建futex_q節點，futex_q節點會存儲哈希key，線程相關信息，futex_q節點會插入chain鏈表。

通過futex系統調用執行FUTEX_WAKE命令可喚醒掛起線程，futex系統調用通過uaddr參數找到對應的futex_q節點，然后喚醒futex_q節點指向的掛起線程。

2.線程為什么需要同步？

Linux線程是在Linux操作系統中實現的一種輕量級進程，也稱為輕量級進程或者LWP。同一線程組的線程共享主線程（進程）的地址空間、文件描述符、信號處理等資源。

在Linux中，CPU的調度是以線程為單位進行調度的，因此線程的調度也是以線程為單位進行調度的。

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由于線程之間共享地址空間，文件描述，信號相關資源，所以線程之間必然會存在同時訪問同一資源的問題，如果不進行線程同步，就會導致數據的不一致性和安全性問題。同步可以保證在同一時刻只有一個線程訪問共享資源，從而避免了數據的沖突和錯誤。

3. 互斥鎖實現原理

互斥鎖的實現視基于原子操作和futex系統調用實現。

3.1 互斥鎖常見操作

• 創建互斥鎖

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

• 加鎖

pthread_mutex_lock(&mutex);

• 解鎖

pthread_mutex_unlock(&mutex);

• 嘗試加鎖

pthread_mutex_trylock(&mutex);

• 銷毀互斥鎖

pthread_mutex_destroy(&mutex);

3.2 互斥鎖實現原理

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互斥鎖本質是一個原子變量，原子變量同樣是一個共享變量，不同的線程都能訪問，只不過原子變量采用的是原子操作，互斥鎖的操作不可被中斷。

1）互斥鎖初始化

將原子變量設置成0，原子變量不同的值代表鎖不同的狀態：

• 原子變量等于0：互斥鎖空閑，未加鎖。
• 原子變量等于1：互斥鎖加鎖成功。
• 原子變量等于2：互斥鎖加鎖失敗，線程通過futex(FUTEX_WAIT)系統調用被掛起。

2）互斥鎖加鎖

• 通過atomic_compare_exchange_strong(value, 0, 1)原子操作，判斷當前互斥鎖是否已經被加鎖，如果原子變量等于0，說明互斥鎖空閑，此時可以對互斥鎖進行加鎖操作，將原子變量設置為1，返回true。
• 如果原子變量不等于0，則說明互斥鎖已經加鎖，此時互斥鎖加鎖線程需要通過futex(FUTEX_WAIT)系統調用將線程掛起，掛起之前需要通過atomic_exchange(value, 2)設置原子變量的值為2，并返回舊原子變量值，通過舊原子變量值可以判斷原子變量是否被其他線程操作。

3）互斥鎖解鎖

• 線程通過atomic_exchange(value, 0)原子操作，將原子變量的值設置成0，返回舊原子變量值。
• 如果舊原子變量的值等于2，說明有一個線程被掛起，此時需要通過futex(FUTEX_WAKE)系統調用喚醒掛起線程，解鎖成功。
• 如果舊原子變量小于等于1，則直接解鎖成功。

總結：

互斥鎖雖然有很多優點，能夠很方便的進行線程同步，但是互斥鎖是通過futex系統調用實現，采用系統調用必然存在用戶態和內核態的切換問題，如果這種切換很頻繁的話，必然會影響系統性能和降低系統效率，后續我們將繼續探索更為高效的線程同步方式。