1 前言
linux系统是一个多用户、多任务的现代操作系统，同时任务间（进程）又可细分为多个线程。操作系统在调度用户任务过程，必须遵循用户指定的规则进行，否则不能达到用户预期功能，甚至引起系统异常。操作系统上的多个任务，在宏观上是“并行执行”，用户必须按照互斥或者同步的一种机制，实现资源共享和进程（线程）协作，避免资源冲突，保证程序地正确执行。典型的任务模型：
- 多个任务访问同一资源
- 任务间存在依赖关系和先后顺序
2 临界资源
临界资源指的是多个进程（线程）共享的，并且可能同时访问的资源，典型直观的物理共享资源就是打印机，A和B同时请求打印，打印过程必然是有先后顺序的。临界资源一次只允许一个进程（线程）访问。我们知道进程是操作系统资源分配的基本单位，线程是任务调度和执行的基本单位，不同进程拥有独立的代码空间和内存资源，同一进程下的线程是共享当前进程的所有系统资源。 线程间的所有共享的资源都可以理解为“临界资源”。典型的临界资源包括：
- 共享内存
- 文件描述符
- 堆栈空间
- 全局变量
2.1 临界区
进程（线程）访问临界资源的一段程序称为临界区。从临界区含义看，是先有临界资源再有临界区。对临界资源的互斥访问即是确保多个进程（线程）互斥地进入自己的临界区。一个进程（线程）进入临界区意味着占用了临界资源，因此，应确保临界区代码尽可能少，且停留在临界区的时间要尽量短。
临界区调度原则：
-
临界区代码量尽可能少，减少进程（线程）串行时间
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一次值允许一个进程（线程）进入
-
已有进程（线程）进入临界区，其他进程（线程）需等待或者被挂起
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进程（线程）进入临界区应能够尽快退出，不长能时间停留
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高优先级的进程（线程）在适当时候主动退出临界区，防止其他进程（线程）饥饿
2.2 临界资源访问原则
临界资源的访问必须互斥进行，否则会导致数据异常。即是当临界资源被一个进程（线程）占用时，另一个申请临界资源的进程（线程）会被阻塞，直到其所申请的临界资源被释放。比如A在使用打印机，如果打印机机没有互斥机制，此时又响应B的打印请求，那么打印出来的数据肯定是不符合预期的，只有A的请求打印完成后才执行B的打印才能得到正确的打印结果。对于临界资源访问，一般分为几个步骤：
【1】进入区过程：检查资源是否可访问
【2】临界区过程：访问资源，标记资源已被占用
【3】退出区过程：退出访问，清除资源占用标识
3 互斥与同步
3.1 互斥
互斥指的是多个进程（线程）不能同时访问临界资源，一个进程（线程）访问临界资源时，其他进程（线程）必须等等其访问完并退出后才能访问。
互斥特性：
- 唯一性
- 排他性
互斥场景：
- 文件读写模型，多个读或者写线程访问文件
- 总线访问模型，多个线程访问一个总线（spi、i2c、usb）
- 外设访问模型，多个线程访问一个外部设备（flash、sensor、adc）
3.2 同步
同步指的是多个进程（线程）间必须严格按照一种先后顺序的原则访问临界资源，存在一种依赖的关系，只有A执行了，B才能执行，是一个“生产者—消费者”模型。
同步特性：
- 唯一性
- 排他性
- 顺序性
同步场景：
- 文件读写模型，写文件线程与读文件过程
- 数据通信模型，数据接收线程与数据处理线程
3.3 互斥与同步的联系
从互斥和同步的特性可看出，互斥和同步都具备“唯一性”和“排他性”；不同的是，互斥可以是无序，同步还具有一个“顺序性”，带有依赖关系。可以认为，互斥是特殊的同步；同步是更为复杂的互斥。即是，同步一定是互斥的，但互斥不一定是同步的。
3 POSIX线程互斥与同步机制
POSIX线程标准和POSIX标准提供了几种线程互斥与同步（线程间通信）机制，关于每一种机制的含义、特性、应用场景、函数API及使用规则和使用方法，在后面文章针对性地一一描述。
POSIX线程标准：
【1】互斥锁（Mutex）
【2】读写锁（Read/Write lock）
【4】自旋锁（Spin lock）
【5】屏障（Barrier）
【6】条件变量（Condition variable）
POSIX标准：
【1】信号量（Seamphore）
【2】消息队列（Message queue）
4 参考文章
【1】同步和互斥