在有了進程和線程的模型之后，一個很大的問題就擺在眼前：進程和線程的執行順序是不可預知的，那么，如何使得兩個進程按照我們想要的順序執行，從而得出正確的結果呢？
競爭條件：兩個或者多個進程讀寫某些共享數據，最后的結果依賴於進程運行的精確時序。
臨界區：把對共享內存進行訪問的程序片段稱作臨界區。如果能使兩個進程不可能同時處於臨界區內，就能夠避免競爭。
先引入一個經典的進程同步問題：生產者-消費者問題。
生產者-消費者問題：有一個緩沖區，一個（或多個）進程在生產某種產品，它生產的東西會放入緩沖區內；一個（或多個）進程在消費產品，它會從緩沖區內取走產品。當緩沖區滿時，生產者應當暫時停止生產；當緩沖區為空時，消費者應當暫時停止消費。
很顯然，這個問題用簡單的判斷緩沖區是否為0或N是無法解決的。如果在消費者判斷緩沖區為0時，恰好遇到了進程切換，生產者進程開始運行，此時應當喚醒消費者，然而這個信號丟失了，因為切換到消費者才進行了睡眠。這時，生產者會不斷運行，直到緩沖區滿，兩個進程全部睡眠，造成了死鎖。代碼如下：
#define N 1000 int count=0; void producer(void) { int item; while(TRUE) { item=produce_item(); if(count==N) sleep();//一段時間后，緩沖區滿，生產者進程也睡眠了 insert_item(item); count=count+1; if(count==1) wakeup(consumer);//設想判斷條件成立時，切換了進程，再次切回時，喚醒消費者進程，然而消費者進程此時沒有睡眠，信號丟失 } } void consumer(void) { int item; while(TRUE) { if(count==0) sleep();//第一次count=1，消費者進程不會睡眠；第二次確實睡眠了 item=remove_item(); count=count-1;//此時緩沖區確實為空了 if(count==N-1) wakeup(producer); consume_item(item); } }
一、信號量
信號量是一種數據結構，可以理解為一個用來計數的整數和一個隊列。整數用來記錄喚醒次數，而隊列被用來記錄因為該信號量而阻塞的進程。
信號量只支持兩種操作：P/V操作。
P操作，可以理解為測試並減一。P(signal1)，如果signal1大於0，那么把它減一，進程繼續執行；如果signal為0，那么執行P操作的進程將會被阻塞，從而變為阻塞態，添加到因為signal1信號而阻塞的進程隊列中。
V操作，可以理解為+1並喚醒。V(signal1)后，如果signal1本來就大於0，那么執行+1；如果有進程在該信號量上被阻塞，那么從隊列中根據某種策略選擇一個進程喚醒。如果多個進程在該信號量上阻塞，那么V操作后，signal1仍然可能為負數。
需要注意的是，P/V操作均應當是原子操作，即作為一個整體執行而不會被打斷。
有了信號量，我們再來看生產者-消費者問題：
#define N 1000 typedef int semaphore; semaphore mutex=1;//控制對臨界區的訪問，其實就是互斥量 semaphore empty=N;//表示空槽的數量 semaphore full=0;//填滿的槽的數量 int count=0; void producer(void) { int item; while(TRUE) { item=produce_item(); down(&empty); down(&mutex);//要改變共享區（緩沖區），加鎖 insert_item(item); up(&mutex);//解鎖 up(&full); } } void consumer(void) { int item; while(TRUE) { down(&full); down(&mutex); item=remove_item(); up(&mutex); up(&empty); consume_item(item); } }
有了信號量，這個問題就好解決多了：用信號量full、empty來表示已用和未用的數量，這樣不管是滿了還是空了，都不會造成死鎖的問題。mutex的操作就是我們接下來要介紹的互斥鎖。
二、互斥鎖
互斥量其實可以理解為一個簡化的信號量，它只有兩種狀態：0和1。互斥鎖是用來解決進程（線程）互斥問題的。所謂進程互斥，就是兩個進程實際上是一種互斥的關系，兩者不能同時訪問共享資源。
互斥量和信號量原理比較類似，一旦一個線程獲得了鎖，那么其它線程就無法訪問共享資源，從而被阻塞，直到該線程交還出了鎖的所有權，另外一個線程才能獲得鎖。
互斥鎖的例子就不再給出，上面程序中已經有了，下面的程序中也會出現。
三、條件變量
條件變量是另外一種同步機制，可以用於線程和管程中的進程互斥。通常與互斥量一起使用。
條件變量允許線程由於一些暫時沒有達到的條件而阻塞。通常，等待另一個線程完成該線程所需要的條件。條件達到時，另外一個線程發送一個信號，喚醒該線程。
條件變量對應的一組操作是pthread_cond_wait和pthread_cond_signal。
條件變量與互斥量一起使用，一般情況是：一個線程鎖住一個互斥量，然后當它不能獲得它期待的結果時，等待一個條件變量；最后另外一個線程向它發送信號，使得它可以繼續執行。
需要注意的是，pthread_cond_wait會暫時解開持有的互斥鎖。
四、讀寫鎖
讀寫鎖相對上面的問題會復雜一些，它被用來解決一個經典的問題：讀者-寫者問題。
讀寫鎖與互斥量類似，不過讀寫鎖允許更高的並行性。互斥量要么是鎖住狀態要么是不加鎖狀態，而且一次只有一個線程可以對其加鎖。
下面的代碼考慮的是讀者優先的讀者-寫者問題，對於共享區域的讀寫規則如下：
1.只要有一個讀者在讀，后來的讀者可以進入共享區直接讀。
2.只要有一個讀者在讀，寫者就必須阻塞，直到最后一個讀者離開。
3.不考慮搶占式，寫者在寫時，即使有讀者到達，也會在就緒態等待。
typedef int semaphore; semaphore mutex=1; //互斥鎖,控制對rc的訪問 semaphore db=1; //控制對數據庫的訪問 int rc=0; //當前讀者計數 void reader(void) { while(TRUE) { down(&mutex);//加鎖 rc=rc+1; if(rc==1) down(&db);//第一個讀者，加鎖 up(&mutex); read_data_base(); down(&mutex); rc=rc-1; if(rc==0) up(&db);//最后一個讀者離開，解鎖 up(&mutex); use_data_read(); } } void writer(void) { while(TRUE) { think_up_data(); down(&db);//獲取數據庫訪問的鎖 write_data_base(); up(&db); } }
這里，我們其實用了兩個互斥鎖來實現了讀寫鎖。一個互斥鎖用來保護共享區，另外一個互斥鎖用來保護讀者計數器。
讀寫鎖可以由三種狀態：讀模式下加鎖狀態、寫模式下加鎖狀態、不加鎖狀態。一次只有一個線程可以占有寫模式的讀寫鎖，但是多個線程可以同時占有讀模式的讀寫鎖。
在讀寫鎖是寫加鎖狀態時，在這個鎖被解鎖之前，所有試圖對這個鎖加鎖的線程都會被阻塞。當讀寫鎖在讀加鎖狀態時，所有試圖以讀模式對它進行加鎖的線程都可以得到訪問權，但是如果線程希望以寫模式對此鎖進行加鎖，它必須阻塞直到所有的線程釋放讀鎖。雖然讀寫鎖的實現各不相同，但當讀寫鎖處於讀模式鎖住狀態時，如果有另外的線程試圖以寫模式加鎖，讀寫鎖通常會阻塞隨后的讀模式鎖請求。這樣可以避免讀模式鎖長期占用，而等待的寫模式鎖請求一直得不到滿足。
讀寫鎖非常適合於對數據結構讀的次數遠大於寫的情況。當讀寫鎖在寫模式下時，它所保護的數據結構就可以被安全地修改，因為當前只有一個線程可以在寫模式下擁有這個鎖。當讀寫鎖在讀狀態下時，只要線程獲取了讀模式下的讀寫鎖，該鎖所保護的數據結構可以被多個獲得讀模式鎖的線程讀取。
讀寫鎖也叫做共享-獨占鎖，當讀寫鎖以讀模式鎖住時，它是以共享模式鎖住的；當他以寫模式鎖住時，它是以獨占模式鎖住的。
五、總結
這里，主要是簡單總結一下這幾種同步量的用法。
1、互斥鎖只用在同一個線程中，用來給一個需要對臨界區進行讀寫的操作加鎖。
2、信號量與互斥量不同的地方在於，信號量一般用在多個進程或者線程中，分別執行P/V操作。
3、條件變量一般和互斥鎖同時使用，或者用在管程中。
4、互斥鎖，條件變量都只用於同一個進程的各線程間，而信號量（有名信號量）可用於不同進程間的同步。當信號量用於進程間同步時，要求信號量建立在共享內存區。
5、互斥鎖是為上鎖而優化的；條件變量是為等待而優化的； 信號量既可用於上鎖，也可用於等待，因此會有更多的開銷和更高的復雜性。
參考書籍：《現代操作系統》