一、总论
在并行编程中，除了“互斥”这个原语外（一般是采用“锁”来实现），还存在“同步（synchronous）”这个原语，这个原语指的是“各个事件按照特定顺序执行”的需求。比如说在生产者消费者模型中，必须要让生产者先生产，消费者才可以进行消费，这就是一种同步行为，是没有办法仅仅依靠锁来实现的。
当涉及互斥时，涉及到的术语是 lock, unlock, mutex ，而涉及到同步是术语是 wait, signal, notify, barrier 等。之前我只重视了互斥的学习，而对于同步语义，则非常忽视。
二、互斥
上锁是维护互斥性的方式，只有拿到锁的线程，可以访问关键区域。
2.1 自旋锁
自旋锁（Spinlock）是最为朴素的锁，它的形式是这样的：
while (!condition); // test lock
condition = false; // lock
// do some critical thing...
condition = true; // unlock只要不满足 condition，那么就会一直停留在 while 语句中执行。所谓的“自旋”，指的就是“自我重复循环”的意思。
2.2 互斥锁
互斥锁（mutex，mutual exclusive）的形式如下：
while (!condition) yield(); // test lock
condition = false; // lock
// do some critical thing...
condition = true; // unlock一旦条件检验不通过，自旋锁会立刻进行下一次条件检验，而互斥锁则会 yield，将执行权让给其他线程。自旋锁的设计，是在自旋的过程中依然占据资源，其优势在于并不会引入额外的上下文切换开销，当自旋时间不多的时候（也就是关键区比较短），那么用自旋锁比较合适。而如果关键区比较长，切换上下文开销小于资源占用的开销，那么就用互斥锁更为合适。
2.3 CAS
上述的锁的实现都是“伪代码”，如果是 C 代码的话，是会存在问题的。考虑这样一个情形，此时有 A 和 B 都在等待 condition 发生变化，一旦 condition 变成 true，A 从 while 中离开，然后在“ A 设置 condition = false 来阻止其他的线程访问”这个时刻之前，突然调度器将 A 挂起，将 B 执行，此时 conditon 已然是 true，所以 B 也可以进入关键区，此时有两个线程在关键区，那么就发生了错误。
从上述描述中可以看出，发生错误的核心在于“检测 condition”和“设置 condition”这两个行为是没有绑定在一起的，一旦上下文切换发生在二者之间，就会导致发生错误。我们可以在硬件层面上将这两个行为统一成一个“原子行为”，一个常见的实现就是 CAS（Compare And Swap），其伪代码如下：
int CompareAndSwap(int *ptr, int expected, int new) {
int old = *ptr;
if(old == expected) {
*ptr = new;
}
return old;
}可以看到这个行为基本上就是检验旧值是否符合预期，如果符合预期就将旧值修改为新值，否则保持不变。此时就可以轻易实现一个自旋锁：
void lock(lock_t *lock) {
while(CompareAndSwap(&lock->condition, true, false) == false);
}
void unlock(lock_t *lock) {
lock->condition = true;
}突然想起来，lock/unlock 之间的关键区，也可以看作是原子性的，没有任何其他的指令可以插手这个区域。锁机制可以看作是对 CAS 原子性的一种拓展，原先只有一条指令是原子性的，现在是一个区域内的所有指令都是原子性的了。
我们设计关键区的时候，除了“共享”外，还可以从“不被打断”的角度去设计。
三、同步
3.1 条件变量
可以看到上述描述的互斥原语和锁机制，往往是发生在身份相同的线程中的，它们往往执行同一段代码，履行相同的职责，所以需要互斥机制来保证独立性。不过线程并不只有“竞争者”这一个身份，还有可能是”协作者“，此时他们就需要”同步“机制来确保他们的协同性。
同步机制比较简单的一个版本就是“先 2 后 1”，其中 1 和 2 是两个不同的线程，如果仅有锁机制，我们没法保证执行的顺序问题。但是如果当 1 先执行的时候，让它先 wait 一下 2 ，直到 2 执行完了以后 signal 提醒一下它，它再加入就绪队列。其中 1 的“等待室”，就被称为条件变量（Condition Variable）。
基于这种思想，我们有了第一版代码：
void *f1(void *arg)
{
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
printf("I am f1\n");
}
void *f2(void *arg)
{
printf("I am f2\n");
pthread_cond_signal(&cond)；
}
需要注意此时的 cond_wait 和 mutex 的 yield 不同，yield 是将线程加入到 OS 的待调度队列中，如果队列中没有其他线程了，那么等待锁的线程还是会反复被调用，而 cond_wait 是一个独立的等待队列，如果不被 signal/notify ，那么就永远不会被调度。这就导致在同步的应用中，常常出现有些线程在等待室里“醒不过来”的情况。
然后我们就会发现一个问题，就是如果 2 先执行完成呢？那么 1 就会一直 wait 下去，因为 signal 信号早就执行完了，这个问题被称为“唤醒丢失”。让我们再回顾需求，会发现其实 1 只有在 2 还没有执行的时候，才需要 wait ，如果本来就是 2 先执行，那么就无须 wait 了，我们可以用一个共享变量来指示是否线程 1 已经执行完了，于是我们得到了第二版：
void *f1(void *arg)
{
if (condition == 0) {
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}
printf("I am f1\n");
}
void *f2(void *arg)
{
printf("I am f2\n");
condition = 1;
pthread_cond_signal(&cond);
}但是这就有一个问题，就是 condition 作为共享变量，有可能出现“共同访问”的问题，比如先调度 1 时完成了对于 condition == 0 的检查，然后切换到了 2，并完成了 signal，然后再切换到 1 来执行 wait，那么就收不到信号了。那么此时就需要用锁来实现原子性，要保证对 condition 的访问和 wait/signal 是绑定在一起的，于是我们得到了第三版：
pthread_cond_t cond;
pthread_mutex_t mutex;
int condition = 0;
void *f1(void *arg)
{
pthread_mutex_lock(&mutex);
if (condition == 0) {
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}
pthread_mutex_unlock(&mutex);
printf("I am f1\n");
}
void *f2(void *arg)
{
printf("I am f2\n");
pthread_mutex_lock(&mutex);
condition = 1;
pthread_cond_signal(&cond);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}由此可见即使在原本的实际中并不涉及共享内存（1 和 2 都只打印信息，并不访问共享内存），仅是处于同步的需求，条件变量也必须要和锁紧密配合。这就是在 POSIX 的条件变量的 API 中有锁的原因。
上述简单的例子已经结束了，但是条件变量依然还存在一个问题，也就是“虚假唤醒”。这个问题涉及到了条件变量的实现机制，线程在 wait 的时候，会将锁释放掉，当被其他线程 signal 的时候，它不是立刻执行，而是被放到了 OS 的待调度队列中，当调度到他的时候，他要再去拿锁然后执行，如果没有拿到锁，那么还会被重新插入到 OS 的待调度队列中等待（相当于隐式 yield 了）。
这种机制就存在一个问题了，就是在线程被 signal 唤醒后插入到待调度队列中，到真正拿到锁开始执行的这段时间内，有可能有其他线程修改了 condition 这样的条件，致使从语义上来说，线程应该继续 wait，而因为 if 的原因，使得线程逃离 wait，开始执行。所以我们最后要做的修改就是将 if 改成 while，如下所示：
void *f1(void *arg)
{
pthread_mutex_lock(&mutex);
while (condition == 0) {
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}
pthread_mutex_unlock(&mutex);
printf("I am f1\n");
}从这个意义上来看，所谓的“signal 唤醒”，对于被唤醒的进程，并不能保证现在的唤醒符合“可执行”的条件了，而只是“可能可执行”，需要进一步的检查。
3.2 信号量
不可否认，条件变量是丑陋的，他必须配合锁，而且还要搭配 while 才能使用。究其根本，是因为它具有“唤醒丢失”和“虚假唤醒”的问题。
“唤醒丢失”是因为条件变量本身不具有状态导致的，必须用一个共享变量来指导同步，如果我们将一个共享变量封装到其中呢？那我们是不是就不用显式的面对锁的问题了。而反正我们都将共享变量封装到其中了，与之相关的控制语句 while 也封装进去，也不是什么困难的事情了。于是我们就得到了信号量（Semaphore）。
信号量的本质是一个计数器 counter，它具有 P （wait）和 V （post）两种操作，P 会减少 counter 的值，如果 counter == 0，那么就会让发起 P 操作的线程进入“等待室”；V 会增加 counter 的值，如果 counter > 0，那么就会唤醒等待室中的线程。
可以看到基本上信号量就是将原本的 condition 转换成了 counter 并封装进了自身内部。其实现如下：
sem_wait(s) {
while(CompareAndSwap(s.flag, 0, 1) == 1);
s.count--;
if(s.count < 0) {
/* 该线程进入 s.queue 队列 */
/* 阻塞该线程（还需将 s.flag 设置为 0，阻塞和赋值需要是一个原子操作） */
}
s.flag = 0;
}
sem_post(s) {
while(CompareAndSwap(s.flag, 0, 1) == 1);
s.count++;
if(s.count <= 0) {
/* 从s.queue 队列中移出线程 p */
/* 线程 p 进入就绪队列 */
}
s.flag = 0;
}信号量是 System V 提出的机制，它足够强大，以至于仅凭这一个机制，就可以实现互斥和同步两种原语。
当信号量初始值为 1 的时候，他可以用作互斥，如下所示：
sem_t m;
sem_init(&m, 0, 1);
sem_wait();
// 临界区
sem_post();而当信号量初始值为 0 时，可以用于同步，这是因为此时就必须先 post 后 wait 才可以避免阻塞：
void *f1(void *arg)
{
sem_wait();
printf("I am f1\n");
}
void *f2(void *arg)
{
printf("I am f2\n");
sem_post();
}可以看到信号量非常简洁美妙。
四、生产者消费者模型
生产者消费者模型是非常经典的并行原语的应用。其中因为生产者和消费者会同时访问同一片共享区域，需要使用互斥机制；又因为当消费品为零或者满的时候，需要使消费者或者生产者 wait ，当条件满足时，又需要 signal 生产者和消费者，所以需要同步机制。
并不是所有的共享同一片内存，具有读写两方的模型都被叫作生产者消费者模型，生产者和消费者之间必须有同步机制来提高效率，这样才能叫作生产者消费者机制。同步机制是非常重要的，考虑生产者的效率是消费者的十倍，那么生产者必然很快就会填满缓冲区，随后生产者会重复拿锁进入缓冲区，并不干任何事情就离开，而消费者不容易拿到锁，机会被大量挤占，导致消费能力进一步降低。而有了同步机制，当产品填满缓冲区时，生产者就可以 wait 等待消费者唤醒了，这样更加高效。
生产者消费者模型有“阻塞队列”和“循环队列”两种形式，分别对应条件变量和信号量实现。循环队列的方式更优，因为阻塞队列是用一把锁保护整个共享区域，而实际上只要不是同时对于同一个商品读写，那么其实共享区域是允许同时存在一个生产者和一个消费者的，循环队列配合信号量可以很容易解决这个问题。
更加具体的描述和实现，可以在这里找到。