面试题：并发与同步：同步原语选择策略

Question

在一个多线程应用程序中，有多个线程需要访问共享资源，且部分线程需要等待特定条件满足后才能继续执行。请阐述如何选择合适的同步原语（如互斥锁、信号量、条件变量、读写锁等）来设计高效且线程安全的解决方案，并说明原因。

Answer 1

1. 互斥锁（Mutex）
   • 适用场景：用于保护共享资源，防止多个线程同时访问，确保同一时间只有一个线程能进入临界区访问共享资源。
   • 原因：当只有简单的资源互斥访问需求时，互斥锁是最基础的同步工具，实现简单，开销相对较小。例如，多个线程访问一个全局变量，通过互斥锁加锁解锁操作，能保证数据的一致性。
2. 信号量（Semaphore）
   • 适用场景：控制同时访问共享资源的线程数量。比如有一个资源池，最多允许 n 个线程同时使用。
   • 原因：它可以设定一个计数器，初始值为允许访问资源的最大线程数。线程获取信号量时计数器减一，释放时加一。当计数器为0时，其他线程等待，适用于需要限制并发访问数量的场景。
3. 条件变量（Condition Variable）
   • 适用场景：结合互斥锁使用，用于线程间的同步，让线程等待某个条件满足后再继续执行。如生产者 - 消费者模型中，消费者线程等待生产者生产数据后才消费。
   • 原因：条件变量本身不提供锁机制，它依赖互斥锁来保护共享资源。线程在条件变量上等待时会自动释放持有的互斥锁，避免死锁。当条件满足，通过唤醒操作，等待线程重新获取互斥锁后继续执行。
4. 读写锁（Read - Write Lock）
   • 适用场景：适用于读多写少的场景，允许多个线程同时进行读操作，但只允许一个线程进行写操作。例如数据库的读查询较多，写更新较少的情况。
   • 原因：读写锁区分读锁和写锁，读锁可以被多个线程同时持有，写锁则具有排他性。这样在保证数据一致性的前提下，提高了读操作的并发性能，因为读操作不会修改数据，所以可以同时进行。

在设计多线程应用程序时，要根据具体需求和场景选择合适的同步原语，有时候单一同步原语不能满足需求，需要组合使用，如互斥锁与条件变量结合，以实现高效且线程安全的解决方案。