线程同步是在多线程编程过程中对数据保护的一种机制，保护的数据是共享数据。共享数据就是多个线程共同访问的一块资源，也就是一块内存。假设有3个线程，其中A,B线程在同一个时间点往这块内存中写数据，于此同时C线程往这块内存中读数据，注意事同一个时间点，如果不是一个时间点就没有线程同步的问题了,很显然，同一时间点读写数据，读出的数据很可能就出现问题，不是正确的数据。

假设有 4 个线程 A、B、C、D，当前一个线程 A 对内存中的共享资源进行访问的时候，其他线程 B, C, D 都不可以对这块内存进行操作，直到线程 A 对这块内存访问完毕为止，B，C，D 中的一个才能访问这块内存，剩余的两个需要继续阻塞等待，以此类推，直至所有的线程都对这块内存操作完毕。 线程对内存的这种访问方式就称之为线程同步，通过对概念的介绍，我们可以了解到所谓的同步并不是多个线程同时对内存进行访问，而是按照先后顺序依次进行的。也就是说线程同步，并不是让线程并行去执行，而是让线程串行去执行。

因此线程同步访问共享资源的时候，由于是串行的，所以效率肯定就变低了。但线程同步可以保证共享数据的安全性
·

1.1 为什么要同步

在研究线程同步之前，先来看一个两个线程同时数数（每个线程数 50 个数，交替数到 100）的例子：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>

#define MAX 50
// 全局变量
int number;

// 线程处理函数
void* funcA_num(void* arg)
{
    for(int i=0; i<MAX; ++i)
    {
        int cur = number;
        cur++;
        usleep(10);
        number = cur;
        printf("Thread A, id = %lu, number = %d\n", pthread_self(), number);
    }

    return NULL;
}

void* funcB_num(void* arg)
{
    for(int i=0; i<MAX; ++i)
    {
        int cur = number;
        cur++;
        number = cur;
        printf("Thread B, id = %lu, number = %d\n", pthread_self(), number);
        usleep(5);
    }

    return NULL;
}

int main(int argc, const char* argv[])
{
    pthread_t p1, p2;

    // 创建两个子线程
    pthread_create(&p1, NULL, funcA_num, NULL);
    pthread_create(&p2, NULL, funcB_num, NULL);

    // 阻塞，资源回收
    pthread_join(p1, NULL);
    pthread_join(p2, NULL);

    return 0;
}

上面的例子是两个线程进行同时数数

• 在main函数中，创建了2个子线程p1,p2, 另外还有一个主线程,也就是总共3个线程。两个子线程分别执行任务函数funcA_num和funcB_num。并通过pthread_join阻塞等待子线程执行完成并回收资源。
• 在funcA_num定义了一个for循环，执行MAX也就是数Max=50个数，输一次打印一次结果； 在funcB_num中也是做了相同的操作，数了50个数。
• 数数的时候都是基于全局变量number进行数据递增，很显然两个线程各自数50个，并操作同一个共享全局变量，最终应该得到100.

编译并执行上面的测试程序，得到如下结果：

$ ./a.out 
Thread B, id = 140504473724672, number = 1
Thread B, id = 140504473724672, number = 2
Thread A, id = 140504482117376, number = 2
Thread B, id = 140504473724672, number = 3
Thread A, id = 140504482117376, number = 4
Thread B, id = 140504473724672, number = 5
Thread A, id = 140504482117376, number = 6
Thread B, id = 140504473724672, number = 7
Thread B, id = 140504473724672, number = 8
Thread A, id = 140504482117376, number = 7
Thread B, id = 140504473724672, number = 8
Thread B, id = 140504473724672, number = 9
Thread A, id = 140504482117376, number = 8
Thread B, id = 140504473724672, number = 9
Thread A, id = 140504482117376, number = 9
Thread B, id = 140504473724672, number = 10
Thread B, id = 140504473724672, number = 11
Thread A, id = 140504482117376, number = 10
Thread B, id = 140504473724672, number = 11
Thread A, id = 140504482117376, number = 11
Thread B, id = 140504473724672, number = 12
Thread A, id = 140504482117376, number = 13
Thread B, id = 140504473724672, number = 14
Thread A, id = 140504482117376, number = 15
Thread B, id = 140504473724672, number = 16
Thread B, id = 140504473724672, number = 17
Thread B, id = 140504473724672, number = 18
Thread B, id = 140504473724672, number = 19
Thread A, id = 140504482117376, number = 17
Thread B, id = 140504473724672, number = 18
Thread B, id = 140504473724672, number = 19
Thread A, id = 140504482117376, number = 19
Thread B, id = 140504473724672, number = 20
Thread A, id = 140504482117376, number = 20
Thread B, id = 140504473724672, number = 21
Thread A, id = 140504482117376, number = 21
Thread B, id = 140504473724672, number = 22
Thread A, id = 140504482117376, number = 22
Thread B, id = 140504473724672, number = 23
Thread A, id = 140504482117376, number = 23
Thread B, id = 140504473724672, number = 24
Thread A, id = 140504482117376, number = 24
Thread B, id = 140504473724672, number = 25
Thread A, id = 140504482117376, number = 25
Thread B, id = 140504473724672, number = 26
Thread A, id = 140504482117376, number = 26
Thread B, id = 140504473724672, number = 27
Thread A, id = 140504482117376, number = 27
Thread B, id = 140504473724672, number = 28
Thread A, id = 140504482117376, number = 28
Thread B, id = 140504473724672, number = 29
Thread A, id = 140504482117376, number = 29
Thread B, id = 140504473724672, number = 30
Thread A, id = 140504482117376, number = 30
Thread B, id = 140504473724672, number = 31
Thread A, id = 140504482117376, number = 31
Thread B, id = 140504473724672, number = 32
Thread A, id = 140504482117376, number = 32
Thread B, id = 140504473724672, number = 33
Thread A, id = 140504482117376, number = 33
Thread B, id = 140504473724672, number = 34
Thread A, id = 140504482117376, number = 34
Thread B, id = 140504473724672, number = 35
Thread A, id = 140504482117376, number = 35
Thread B, id = 140504473724672, number = 36
Thread A, id = 140504482117376, number = 36
Thread B, id = 140504473724672, number = 37
Thread A, id = 140504482117376, number = 37
Thread B, id = 140504473724672, number = 38
Thread A, id = 140504482117376, number = 38
Thread B, id = 140504473724672, number = 39
Thread A, id = 140504482117376, number = 39
Thread A, id = 140504482117376, number = 40
Thread B, id = 140504473724672, number = 41
Thread B, id = 140504473724672, number = 42
Thread A, id = 140504482117376, number = 42
Thread A, id = 140504482117376, number = 43
Thread B, id = 140504473724672, number = 44
Thread B, id = 140504473724672, number = 45
Thread A, id = 140504482117376, number = 45
Thread B, id = 140504473724672, number = 46
Thread A, id = 140504482117376, number = 46
Thread B, id = 140504473724672, number = 47
Thread A, id = 140504482117376, number = 47
Thread B, id = 140504473724672, number = 48
Thread A, id = 140504482117376, number = 48
Thread B, id = 140504473724672, number = 49
Thread A, id = 140504482117376, number = 50
Thread B, id = 140504473724672, number = 51
Thread A, id = 140504482117376, number = 51
Thread B, id = 140504473724672, number = 52
Thread A, id = 140504482117376, number = 53
Thread A, id = 140504482117376, number = 54
Thread A, id = 140504482117376, number = 55
Thread A, id = 140504482117376, number = 56
Thread A, id = 140504482117376, number = 57
Thread A, id = 140504482117376, number = 58
Thread A, id = 140504482117376, number = 59
Thread A, id = 140504482117376, number = 60
Thread A, id = 140504482117376, number = 61

通过对上面例子的测试，可以看出虽然每个线程内部循环了 50 次每次数一个数，但是最终没有数到 100，通过输出的结果可以看到，有些数字被重复数了多次，其原因就是没有对线程进行同步处理，造成了数据的混乱。

两个线程在数数的时候需要分时复用 CPU 时间片，并且测试程序中调用了 sleep() 导致线程的 CPU 时间片没用完就被迫挂起了，这样就能让 CPU 的上下文切换（保存当前状态，下一次继续运行的时候需要加载保存的状态）更加频繁，更容易再现数据混乱的这个现象。

CPU 对应寄存器、一级缓存、二级缓存、三级缓存是独占的，用于存储处理的数据和线程的状态信息，数据被 CPU 处理完成需要再次被写入到物理内存中，物理内存数据也可以通过文件 IO 操作写入到磁盘中。

在测试程序中两个线程共用全局变量 number 当线程变成运行态之后开始数数，从物理内存加载数据，然后将数据放到 CPU 进行运算，最后将结果更新到物理内存中。如果数数的两个线程都可以顺利完成这个流程，那么得到的结果肯定是正确的。

如果线程 A 执行这个过程期间就失去了 CPU 时间片，线程 A 被挂起了最新的数据没能更新到物理内存。线程 B 变成运行态之后从物理内存读数据，很显然它没有拿到最新数据，只能基于旧的数据往后数，然后失去 CPU 时间片挂起。线程 A 得到 CPU 时间片变成运行态，第一件事儿就是将上次没更新到内存的数据更新到内存，但是这样会导致线程 B 已经更新到内存的数据被覆盖，活儿白干了，最终导致有些数据会被重复数很多次。

如何解决这一现象，其实就可以利用线程同步来解决。线程同步解决了数据没被写回去的问题，如果做了线程同步，就能保证数据从cpu同步到物理内存中。同步回去之后，另外一个线程才能去读取处理共享数据。

1.2 同步方式

对于多个线程访问共享资源出现数据混乱的问题，需要进行线程同步。常用的线程同步方式有四种：互斥锁、读写锁、条件变量、信号量。所谓的共享资源就是多个线程共同访问的变量，这些变量通常为全局数据区变量或者堆区变量，这些变量对应的共享资源也被称之为临界资源。

找到临界资源之后，再找和临界资源相关的上下文代码，这样就得到了一个代码块，这个代码块可以称之为临界区。确定好临界区（临界区越小越好）之后，就可以进行线程同步了，线程同步的大致处理思路是这样的：

• 在临界区代码的上边，添加加锁函数，对临界区加锁。
  • 哪个线程调用这句代码，就会把这把锁锁上（获得cpu时间片），其他线程就只能阻塞并失去了cpu时间片。
• 在临界区代码的下边，添加解锁函数，对临界区解锁。
  • 此时堵塞在这把锁的线程就被唤醒，然后抢占时间片，进入临界区。
  • 出临界区的线程会将锁定的那把锁打开，其他抢到锁的线程就可以进入到临界区了。
• 通过锁机制能保证临界区代码最多只能同时有一个线程访问，这样并行访问就变为串行访问了。