我们在日常编程中使用并发机制主要解决以下两方面的问题：

• Race Condition
  通过提供 Mutual exclusion 机制， 确保多个进程或线程不会同时执行某些特定的程序段（代码段），叫做 critial section。当进程访问 critial section 时，会受到同步机制的控制。这种机制提供了对状态的互斥访问操作，可以用来解决 Race Condition，以实现数据的一致性。

• busy-waiting：
  首先，忙等待发生在当进程频繁的轮询去查看是否可以进入 critial secion时，这会造成大量的CUP空转浪费。所以，在等待某个可能长期不会成真的条件时，使进程处于阻塞状态可能会更好一些。通过 condition veriable 提供的 wait 和 signal机制可以使线程在某个条件变量上等待，并可以唤醒等待在某个条件变量上的线程。

在 linux 下, POSIX 提供了很多关于线程同步的 Higher-level API ，本文主关注下面两个最常用的。

• mutexs(Mutual exclusion)： 可使得线程对某段(section)代码互斥执行，用来实现 critical section, 解决 Race condition。

• condition variables： 条件变量,使得一个线程可以在等待一个条件为真时挂起，并由别的线程在条件成立时在将其唤醒，有效的提供了cpu使用率。

Mutex(Mutual exclusion)

Mutex variable 被定义为pthread_mutex_t。 并且在使用前，必须通 pthread_mutex_init初始化。

一个 pthread_mutex_t 类型的变量就像一个 锁。在任意时刻，只能有一个线程 lock(or own) 这个 mutex 变量。pthread_mutex_lock:提供了原子地获取锁操作，即使多个线程并发执行pthread_mutex_lock，也只会有一个线程成功。其他失败的线程将 block。

pthread_mutex_unlock(mutex) 将释放这个 mutex变量。

在这里，我们通过经典的 producer-consumer problem 来使用 mutex。Mutex variable 主要就是解决 Race Condition 的。

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

#define MAX 10

//struction 
int data[MAX];
int itemCount;
int next = 0;
int prev = -1;

//define a mutex variable
pthread_mutex_t lock

void *producer(){
    int item = 3;
    while(1){
        pthread_mutex_lock(&lock);
        if(itemCount < MAX){
            data[(next++)%MAX] =item;
            itemCount++;
        }
        pthread_mutex_unlock(&lock);
    }
}

void *consumer(){
    int item = -1;
    while(1){
        pthread_mutex_lock(&lock);
        if(itemCount > 0){
            item = data[(++prev)%MAX];
            itemCount--;
            printf("consumer:%d", item);
        }
        pthread_mutex_unlock(&lock);
    }
}

可以看到，使用 lock/unlock 提供了对队列的互斥操作。避免了数据不一致的情况。但这里有一个问题，就是存在 busy-waiting问题，尤其是当生产/消费数据的事件很长时，这会导致cpu严重的低利用率。

所以，我们需提供一种机制使线程在长时间等待一个条件为真时 block,即不会被cpu调度，并且，当确定条件满足时由另一个线程唤醒它。

condition variable

pthread_cond_t 表示一个condition variable，同样在使用前必须通过 pthread_cond_init()初始化。

pthread_cond_wait(cond, mutex)：这个函数将使调用线程阻塞，此时我们说这个线程阻塞在了这个 cond 条件变量上了。

注意：它应该在当前线程已经 lock 了这个 mutex 时执行，并且将自动释放这个 mutex。当收到 signal 时，这个线程会 awakened，并且会自动的获取 mutex。

pthread_cond_signal(cond): 会释放在当前 cond 条件变量上阻塞的一个线程。我们注意到，signal 不需要和特定的 mutex “绑定”，并且也不没有强制必须 lock 了 mutex 时才能执行。

ok, 我们可以使用 条件变量来实现上面生产者-消费者的 busy-waiting 问题。

pthread_cond_t notFull, notEmpty;
void *producer(){
    int item = 3;
    while(1){
        pthread_mutex_lock(&lock);
        while(item >= MAX)
            pthread_cond_wait(&notFull, &lock);
        data[(next++)%MAX] =item;
        itemCount++;
        pthread_cond_signal(&notEmpty);
        pthread_mutex_unlock(&lock);
    }
}

void *consumer(){
    int item = -1;
    while(1){
        pthread_mutex_lock(&lock);
        if(itemCount <= 0)
            pthread_cond_wait(&notEmpty, &lock);
        item = data[(++prev)%MAX];
        itemCount--;
        printf("consumer:%d", item);
        pthread_cond_signal(&notFull);
        pthread_mutex_unlock(&lock);
    }
}

关于 条件变量 正确的用法：

• 对于 wait() 端： 1.必须与 mutex 一起使用，布尔表达式的读写需受此 mutex 保护 2.在 mutex 已上锁的时侯才能调用 wait 3.把 判断布尔条件 和 wait() 放在 while 循环中。

• 对于 signal/broadcast 端: 1.不一定要在 mutex 以上锁的情况下调用。 2.在singal之前一般要修改布尔表达式。 3.修改布尔表达式通常要 mutex 保护。

总结

在构建多线程并发同步程序时，mutex 和 condition variable 是最常使用的同步原语。前者实现了互斥访问，解决了 Race Condition，后者解决了 busy-waiting 问题。当然，这些原语还是很低级的，尤其是 condition variable很容器出错。在实际开发中，应尽量使用更高层的同步构建工具。