线程同步机制详解：多线程编程如何避免数据冲突

在写程序时，如果多个线程同时操作同一个数据，就像几个人同时往一个记事本上写东西，很容易乱套。比如一个线程正在修改余额，另一个线程也来读取或写入，结果可能就是钱算错了。这时候就需要线程同步机制，它像是给多线程世界定下的“交通规则”，让它们有序通行，避免撞车。

为什么需要线程同步？

想象你在超市抢购最后一瓶酱油，你和另一个人同时把酱油放进购物车，系统却显示库存还有1，结果结账时才发现其实已经卖光了。这就是典型的“竞态条件”——多个线程同时访问共享资源，导致结果不可预测。线程同步就是为了解决这类问题。

常见的同步方式

最常用的同步工具是“互斥锁”（Mutex）。它像是一把钥匙，只有拿到钥匙的线程才能进入临界区操作数据，其他线程只能排队等待。用代码来看更清楚：

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

int balance = 100;
pthread_mutex_t lock;

void* withdraw(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&lock);
    balance -= 10;
    printf("余额: %d\n", balance);
    pthread_mutex_unlock(&lock);
    return NULL;
}

这里，每次只有一个线程能执行 balance -= 10; 这行代码，避免了并发修改带来的错误。

信号量：控制并发数量

有时候我们不只想让一个线程通过，而是限制最多三个线程同时工作，比如数据库连接池。这时候可以用信号量（Semaphore）。它像停车场的空位指示牌，每进一辆车就减一，满了就等。

条件变量：等个信儿再动

有些场景下，线程需要等某个条件成立才继续，比如消费者线程要等队列里有数据才取。条件变量配合互斥锁使用，可以让线程“睡着”，直到别的线程通知它“可以干活了”。

比如银行柜台叫号，你拿了号坐在那儿不动，等到叫你名字才起身办理业务。代码中就是这样：

pthread_mutex_lock(&mutex);
while (queue_empty()) {
    pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}
// 处理任务
pthread_mutex_unlock(&mutex);

读写锁：读多写少的优化

如果数据大部分时间被读取，只有偶尔修改，用互斥锁会浪费性能——本来可以多人同时读，却被强制排队。读写锁允许同时多个读操作，但写操作必须独占。就像图书馆里，大家都能同时看书（读），但修改书内容时（写），得清场。

原子操作：轻量级同步

对于简单的变量增减，比如计数器，可以用原子操作。它由硬件支持，保证一条指令完成，不会被打断。比加锁更高效，适合简单场景。