互斥锁与信号量(Mutex and Semaphore)

互斥锁与信号量(Mutex and Semaphore)是并发编程中最基础的两种同步原语,用于协调多个执行单元对共享资源的访问,避免竞态条件,保证数据一致性。

概述

在多线程或多进程环境下,若不加约束地访问共享资源,就可能产生错误。互斥锁提供互斥访问:任一时刻至多一个执行单元能持有锁并进入被保护的临界区,其余必须等待。信号量则是一个带计数的同步工具,由荷兰计算机科学家迪杰斯特拉提出,它维护一个许可数量,获取时计数减一、释放时加一,当计数为零时请求者阻塞,可用于限制并发访问的数量或实现执行单元间的信号通知。

核心原理

• 互斥锁:二元状态,加锁与解锁通常应由同一执行单元完成,强调所有权。
• 计数信号量:许可数可大于一,允许多个执行单元同时进入,常用于资源池限流。
• 二元信号量:许可数为一的信号量,行为类似锁但无所有权约束。
• 阻塞与唤醒:获取失败时执行单元被挂起,资源可用时被唤醒。

应用场景

互斥锁用于保护计数器、共享数据结构、文件写入等临界区。信号量常用于限制数据库连接池、线程池的并发上限,或作为生产者消费者问题中协调缓冲区空位与数据项的信号。许多高层同步工具(如读写锁、条件变量)也建立在这两种原语之上。

常见问题

问:互斥锁和二元信号量有什么区别?答:互斥锁通常带所有权语义,应由加锁者解锁;二元信号量不关心谁释放,更适合做信号通知,而非单纯保护临界区。

问:滥用锁会有什么风险?答:锁的粒度过大会降低并发性能,加锁顺序不当会导致死锁,忘记释放会造成资源永久占用,因此应尽量缩小临界区并谨慎设计加锁策略。