操作系统面试题 — 你知道的线程同步的方式有哪些？

Cyan_RA9
228 阅读4分钟

Author : Cyan_RA9
Source : 【卡码笔记】网站
Question : 你知道的线程同步的方式有哪些？

【简要回答】

  1. 内核级线程（KLT）的同步方式：
    • 互斥锁（Mutex）：确保同一时间只有一个线程进入临界区。
    • 信号量（Semaphore）：控制资源访问数量，支持计数和二进制模式。
    • 条件变量（Condition Variable）：用于线程间状态通知，基于特定条件阻塞或唤醒线程，需搭配互斥锁使用。
    • 读写锁（Read-Write Lock）：允许多读单写，提高读多写少场景的性能。
    • 自旋锁（Spinlock）：忙等待锁，适用于短临界区。
  2. 用户级线程（ULT）的同步方式：
    • 原子操作（Atomic）：通过原子指令如CAS（Compare-And-Swap），避免锁开销。
    • 协程同步原语：通过调度器协作式切换，如Go的channel，通过消息传递替代共享内存。
    • 轻量级锁：用户态实现的互斥锁（如Java的偏向锁）。
    • 非阻塞数据结构：如无锁队列，依赖硬件指令实现并发安全。

【详细回答】

  1. 内核级线程（KLT）的同步方式：
    • 互斥锁（Mutex）：
      ① 实现：通过系统调用（如pthread_mutex_lock）获取锁，竞争失败的线程被阻塞并移出调度队列。
      ② 优化：可配置为自适应自旋（如Linux的futex），减少上下文切换。
      ③ 适用场景：长临界区（如文件操作），避免忙等待浪费CPU。
    • 信号量（Semaphore）：
      ① 计数信号量：管理资源池（如数据库连接池）。
      ② 二进制信号量：等价于互斥锁，但支持跨进程（System V信号量）。
    • 条件变量（Condition Variable）：
      ① 实现：需与互斥锁配合，wait()释放锁并阻塞，signal()唤醒等待线程。
      ② 典型场景：生产者-消费者模型中的缓冲区空/满通知。
    • 读写锁（Read-Write Lock）：
      ① 实现：读锁共享（允许多线程同时读），写锁独占（仅允许单线程写）。
      ② 适用场景：配置文件读取（多读）与更新（单写）。
    • 自旋锁（Spinlock）：
      ① 实现：线程循环检测锁状态（如while(lock == BUSY);），不主动让出CPU。
      ② 适用场景：多核短临界区（如Linux内核中断处理）。
      ③ 风险：长时间自旋浪费CPU，需配合抢占式调度使用。
  2. 用户级线程（ULT）的同步方式：
    • 原子操作（Atomic）：
      ① 实现：通过CPU指令（如CAS、LL/SC）直接操作内存，无需锁。
      ② 适用场景：无锁计数器（如atomic.AddInt32）、标志位更新。
      ③ 局限性：仅适用于简单操作，复杂逻辑仍需锁。
    • 协程同步原语：
      ① 实现：如Go的channel，通过通信传递数据所有权，避免共享内存。
      ② 适用场景：高并发I/O密集型任务（如网络服务器）。
      ② 优势：无锁竞争，依赖调度器协作切换（非抢占式）。
    • 轻量级锁：
      ① 实现：先尝试用户态自旋，失败后升级为内核锁（如Java的锁膨胀）。
      ② 优势：减少内核切换次数，平衡性能与公平性。
    • 非阻塞数据结构：
      ① 无锁队列：基于原子操作设计无锁队列、栈等数据结构（如Java的ConcurrentLinkedQueue）。
    • 协作式调度同步：
      ① 示例：用户态调度器主动让出CPU（如协程yield），通过事件循环协调任务，避免竞态条件。
      ② 缺点：依赖开发者手动控制切换时机，易引发死锁。

【知识图解】

  • 自旋锁（Spinlock）的工作示意图，如下所示：
    spinlock_workchart.jpg

  • 自旋与非自旋的流程图，如下图所示：
    spinlock_flowchart.jpg

【知识拓展】

  • 面试官可能的追问1 — 用户级线程（如Go的Goroutine）如何避免内核级同步的开销？：
    • Go通过channel通信替代锁，由调度器在用户态管理协程切换，仅在必要时（如系统调用）才进入内核态。
  • 面试官可能的追问2 — 自旋锁在什么场景下会失效？如何优化？：
    • 失效场景：单核环境（忙等待浪费CPU）、长临界区（自旋时间过长）。
    • 优化：设置最大自旋次数后转为阻塞锁，或结合自适应自旋（动态预测等待时间）。
  • 面试官可能的追问3：自旋锁在内核线程和用户线程中的使用有何差异？
    • 内核线程：可禁用中断确保原子性，防止死锁；支持多核并发自旋。
    • 用户线程：依赖原子指令或futex；单核环境需主动让出CPU（如调用sched_yield）。
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