1. 什么是临界区问题？
在操作系统中，多个进程（或线程）可能需要协作完成任务。它们之间通过共享内存或消息传递进行通信。当多个进程共享同一块地址空间时，必须控制它们的访问顺序，以防止数据竞争（race condition）和数据不一致等问题。
这种控制机制被称为同步（Synchronization）。如果没有合适的同步机制，进程可能会读取过期数据，或者覆盖其他进程的数据。
1.1 临界区的定义
每个进程都可能有一段代码，用于访问共享资源（如变量、文件、设备等），这段代码被称为临界区（Critical Section）。多个进程不能同时执行各自的临界区。
1.2 临界区问题的三个核心要求
为了解决临界区问题，一个良好的同步机制必须满足以下三个条件：
✅ 互斥（Mutual Exclusion）：一个进程在执行临界区时，其他进程不能进入自己的临界区。
✅ 进展（Progress）：如果没有任何进程在执行临界区，那么应能从等待的进程中选择一个进入临界区。
✅ 有限等待（Bounded Waiting）：任何进程在请求进入临界区后，必须在有限时间内获得许可，不能无限期等待。
2. Mutex（互斥锁）
Mutex 是一种最基础的同步机制，用于保护临界区资源。它本质上是一个二值锁（locked/unlocked），只有持有锁的线程才能进入临界区。
2.1 Mutex 的工作原理
Mutex 提供两个基本操作：
acquire()：获取锁。如果锁不可用，线程会被阻塞或忙等。release()：释放锁，允许其他线程获取。
以下是伪代码示例：
algorithm acquire():
while not available:
// busy wait
available <- false
algorithm release():
available <- true
2.2 Mutex 的优缺点
✅ 优点：
- 实现简单。
- 避免了上下文切换（context switch）的开销，适用于短时间的锁定。
❌ 缺点：
- 会导致“忙等”（busy waiting），浪费 CPU 资源。
- 在单核 CPU 上表现不佳，因为忙等线程会占用 CPU 时间，无法让出资源。
3. Semaphore（信号量）
Semaphore 是一种更通用的同步机制，支持多个资源的访问控制。它通过两个原子操作 wait() 和 signal() 来管理资源的可用性。
3.1 Semaphore 的基本操作
wait(S)：尝试获取资源。如果资源数大于 0，则减 1；否则忙等。signal(S)：释放资源，资源数加 1。
伪代码如下：
algorithm wait(S):
while S <= 0:
// busy wait
S <- S - 1
algorithm signal(S):
S <- S + 1
Semaphore 可以是 计数信号量（Counting Semaphore） 或 二值信号量（Binary Semaphore）。
3.2 计数信号量（Counting Semaphore）
用于控制多个相同资源的并发访问。例如：
- 一个图书馆有 10 个自习室，每个自习室是一份资源。
- 每次有用户申请自习室时，调用
wait()，释放时调用signal()。
示意图如下：
3.3 二值信号量（Binary Semaphore）
只能取 0 或 1，功能上等同于 Mutex，但实现机制不同。
示意图如下：
4. Semaphore 与 Mutex 的对比
| 特性 | Semaphore | Mutex |
|---|---|---|
| 类型 | 整数变量 | 对象 |
| 机制 | 信号机制（通知） | 锁机制（获取/释放） |
| 子类型 | 有计数和二值两种 | 无子类型 |
| 所有权 | 任意线程可以释放 | 只有加锁线程可以释放 |
| 操作 | 使用 wait() 和 signal() |
使用 lock() 和 unlock() |
| 资源管理 | 多线程可同时访问（取决于信号量值） | 仅允许一个线程访问 |
| 修改权限 | 只能通过 wait() 和 signal() 修改 |
由持有锁的线程修改 |
| 同时访问 | 支持多线程同时访问 | 不支持 |
⚠️ 踩坑提示：
不要将 Mutex 误认为是“轻量级的 Semaphore”，它们的设计初衷不同。Mutex 更强调“所有权”概念，适合保护单个资源；而 Semaphore 更适合资源池、生产者-消费者等多线程协调场景。
5. 总结
- Mutex 是最基础的同步工具，适合保护单一资源，强调“谁加锁谁释放”。
- Semaphore 更通用，支持多资源控制，适合复杂同步场景。
- 在实际开发中，根据场景选择合适的同步机制至关重要。
- Java 中的
ReentrantLock是 Mutex 的实现，Semaphore类则提供了完整的信号量支持。
✅ 建议：理解底层原理后，再使用高级封装库（如 Java 的 java.util.concurrent 包），避免“只会用不会调”。