面试题：并发与同步：常见同步原语的比较

Question

请简要比较互斥锁（Mutex）、信号量（Semaphore）和条件变量（Condition Variable）这三种同步原语在使用场景、功能特性上的差异。

Answer 1

使用场景差异

1. 互斥锁（Mutex）：
   • 主要用于保护共享资源，确保同一时间只有一个线程能够访问该资源。适用于对临界区的简单保护场景，比如一个共享的全局变量，或者一段共享的代码区域，在某一时刻只能有一个线程执行这段代码来避免数据竞争。例如在多线程的银行转账程序中，对账户余额这个共享资源的访问就可以用互斥锁保护。
2. 信号量（Semaphore）：
   • 用于控制同时访问某个资源的线程数量。适合资源数量有限的场景，比如连接池中有固定数量的数据库连接，信号量可以控制同时获取连接的线程数量，防止过多线程同时请求连接导致资源耗尽。
3. 条件变量（Condition Variable）：
   • 通常用于线程间的同步通信，当某个条件满足时通知等待的线程。比如生产者 - 消费者模型中，当缓冲区有数据时，生产者线程通过条件变量通知消费者线程进行消费；当缓冲区有空闲位置时，消费者线程通过条件变量通知生产者线程进行生产。

功能特性差异

1. 互斥锁（Mutex）：
   • 只有两种状态，锁定和解锁。线程获取锁成功后进入临界区，操作完成后释放锁。它的功能相对简单，主要是实现对共享资源的独占访问。
2. 信号量（Semaphore）：
   • 有一个计数器，记录可用资源的数量。线程获取信号量时，计数器减1；释放信号量时，计数器加1。当计数器为0时，其他线程获取信号量会阻塞。信号量可以允许多个线程同时访问共享资源，只要线程数量不超过计数器的初始值。
3. 条件变量（Condition Variable）：
   • 本身不具备锁的功能，通常要和互斥锁配合使用。它提供了等待（wait）和通知（notify）机制，线程可以在条件变量上等待某个条件满足，当其他线程通过通知操作改变条件后，等待的线程被唤醒继续执行。