第3章 并发、同步与死锁

并发让系统在等待 I/O 时继续做别的工作，也让多核 CPU 真正同时执行多个任务。但只要多个执行流共享可变状态，程序结果就可能依赖难以复现的执行时序。

从“交错”理解并发

两个线程各自的代码顺序没有变化，但它们的指令可以按许多方式交错。正确的并发程序必须保证：在所有允许的交错中，关键不变量都成立。

最小例子是两个线程同时执行 counter++。这通常包含读取、加一和写回三个步骤；如果两者都读到旧值，最终只增加一次。问题不在算术，而在复合操作缺少原子性。

小结目录

• 竞态、原子性与锁：从丢失更新推导临界区、互斥锁、自旋锁、原子指令和内存可见性。
• 信号量与条件变量：区分“保护共享状态”和“等待状态变化”，给出有界缓冲区最小实现。
• 经典同步问题：用生产者—消费者、读者—写者和哲学家问题训练建模与不变量分析。
• 死锁、检测与恢复：理解死锁必要条件、资源分配图、预防、避免、检测和恢复。

工具选择的直觉

需求	常见工具
一个时刻只允许一个线程修改状态	互斥锁
临界区极短且不能睡眠	自旋锁或原子操作
等待“队列非空”等条件成立	条件变量
表示有限数量的同类资源	计数信号量
一次性发布初始化结果	once、屏障或安全发布机制

工具名称不是重点。重点是明确共享状态、不变量、谁修改状态、谁等待条件，以及等待和唤醒是否都在同一同步协议中。

学完应能回答

• 数据竞态、竞态条件和原子性违反有何区别？
• 为什么检查条件后必须在循环中等待条件变量？
• 信号量为什么既能表达互斥，也能表达资源数量？
• 哪四个条件同时成立时才可能死锁？
• 避免死锁与避免饥饿为什么不是同一件事？