并发与同步

多个执行流共享状态且至少一个是写、没有正确同步——竞态条件，结果是"依赖于不可控的执行顺序"。本章讲临界区与互斥锁的实现、条件变量与信号量、死锁的预防、读写锁与 RCU，以及原子操作与内存序（→ 进程、线程与上下文切换）。

竞态与临界区

竞态条件（race condition）的经典例子：两个线程执行 counter++。它编译成三条指令（读、加、写回），交错执行会丢失更新——结果依赖于调度，且难复现（调度不确定，测试跑通的代码上线炸）。

临界区：访问共享状态的代码段。互斥（mutual exclusion）= 同一时间最多一个线程在临界区内。

互斥锁的实现

自旋锁

while (test_and_set(&lock) == 1) ;  /* 原子交换：拿到 1 说明别人持有 */
/* 临界区 */
lock = 0;

test_and_set 是原子指令（x86 的 lock xchg）。自旋锁不进内核、切换零成本，但等待时烧 CPU——适合临界区极短的场景；临界区长时，轮询的浪费超过切换成本。

futex：Linux 的混合

futex（fast userspace mutex）：无竞争时在用户态完成（一条原子指令），有竞争时才进内核挂起（futex 系统调用）。快路径用户态、慢路径内核——pthread_mutex 的基础，兼得两者的优点。

锁保护的是数据，不是代码：临界区只是手段，正确的心智模型是"同一时刻只有一个执行流能碰这份数据"——锁加在哪里，取决于数据被谁共享，而不是代码长什么样。

条件变量与信号量

条件变量解决"等条件成立"：wait（释放锁并睡眠）与 signal/broadcast（唤醒）。必须配合锁，且用谓词循环（防虚假唤醒）：

pthread_mutex_lock(&m);
while (!ready)                       /* while 而非 if：防虚假唤醒 */
    pthread_cond_wait(&cv, &m);      /* 原子地释放锁并睡眠 */
/* 使用 ready */
pthread_mutex_unlock(&m);

信号量（semaphore）：计数器 + 两个原子操作（P 计数减一，为负则睡；V 计数加一，唤醒等待者）。互斥锁是初值 1 的特例；计数信号量管理资源池。生产者-消费者、限流是标准应用。

死锁

死锁的四个条件：互斥、持有并等待、不可剥夺、循环等待。全部成立才会死锁，打破任何一个都行：

最实用的预防：固定加锁顺序（打破循环等待）——全局约定锁的全序，所有代码按序加锁；
一次拿全所有锁（打破持有并等待）；
trylock + 回退（打破不可剥夺）。

死锁检测（资源分配图找环）在数据库里常用（回滚一个事务），在操作系统里少用（代价高）。

读写锁与 RCU

读写锁：多个读者并发、写者独占——读多写少的共享结构；写者饥饿与读侧缓存失效（伪共享，→ 存储层次与缓存）是两个坑；
RCU（read-copy-update）：读者零开销（几乎无同步），写者复制后原子替换、等旧读者退出再回收——Linux 内核路由表、dentry 缓存的做法，读侧极致但写侧复杂。

原子操作与内存序

原子操作（CAS、fetch-add）是无锁编程的原料：CAS（compare-and-swap）"期望值匹配才写入"，是无锁结构的核心循环。但原子不只是原子——还有顺序：

/* 线程 1 */              /* 线程 2 */
data = 42;                while (!flag) ;
flag.store(1, release);   data.load(acquire);

编译器与 CPU 会重排指令（→ 流水线、冒险与乱序执行）。内存序（acquire/release）是无锁编程的基础：release 保证"此前的写对 acquire 之后可见"——上面的配对保证线程 2 看到 data == 42。松散序（relaxed）只保证原子性不保证顺序，适合计数器；顺序一致（seq_cst）最直观也最贵。

无锁编程的正确性论证极其困难（ABA 问题、内存回收），工程结论：先用锁， profiler 证明锁是瓶颈再考虑无锁；无锁结构用经过验证的库。

并发 bug 为什么难复现

调度不确定 + 缓存层次 + 编译器重排，使 bug 依赖不可控的交错——测试环境跑不出来。对策：压测 + 随机延迟注入、线程 sanitizer（TSan，检测数据竞争）、模型检查；以及最重要的——缩小共享状态（能不共享就不共享，消息传递代替共享内存，Go 的口号："不要通过共享内存来通信，而要通过通信来共享内存"）。

本章要点

竞态条件 = 共享 + 写 + 无同步；结果依赖不可控的交错，难复现
自旋锁适合极短临界区；futex 快路径用户态、慢路径内核
条件变量配谓词循环防虚假唤醒；锁保护的是数据不是代码
死锁预防最实用的办法是固定加锁顺序（打破循环等待）
内存序（acquire/release）是无锁编程的基础；先用锁， profiler 证明瓶颈再无锁