📚 课程目录第1章并发编程基础

1. 并发编程基础：并发与并行的区别、临界区与竞态条件、原子操作的概念

并发编程是锁竞争分析与调优的基石。在深入 spinlock、RCU 等同步机制之前，必须准确理解并发与并行的本质区别、临界区与竞态条件的触发场景，以及原子操作这一底层构建块。本章从这三个核心概念出发，为后续的锁分析建立坚实的理论基础。

1.1 并发与并行的区别

并发（Concurrency）与并行（Parallelism）常被混用，但在操作系统和硬件层面有严格区分：

维度	并发（Concurrency）	并行（Parallelism）
定义	多个任务在同一时间段内交替执行（逻辑上同时）	多个任务在同一时刻真正同时执行（物理上同时）
硬件基础	单核 CPU 通过时间片轮转即可实现	需要多核 CPU 或多处理器系统
执行方式	任务切换（上下文切换）	任务同时运行在不同核心上
关注点	任务间的协调与资源竞争	任务间的数据拆分与负载均衡
典型场景	单核服务器处理大量网络连接	多核 CPU 并行计算矩阵乘法

  关键理解：并发是程序设计的性质（如何组织任务），并行是执行时的性质（任务是否同时运行）。一个并发程序可以在单核上运行，也可以在多核上并行运行。

下面这张 SVG 图直观展示了并发与并行的执行差异：

1.2 临界区与竞态条件

当多个执行流（线程/进程/中断处理程序）访问共享资源时，就会引入两个核心问题：临界区和竞态条件。

1.2.1 临界区（Critical Section）

临界区是指访问共享资源的代码片段，这段代码在同一时刻只能被一个执行流执行。如果多个执行流同时进入临界区，就会导致数据不一致。

临界区识别原则：任何对全局变量、静态变量、硬件寄存器、文件偏移等共享资源的读-修改-写操作序列，都需要作为临界区保护。

典型的临界区示例：

/* 共享变量 */
static int shared_counter = 0;

/* 临界区：对 shared_counter 的读-修改-写操作 */
void increment_counter(void) {
    /* 进入临界区前需要加锁 */
    int tmp = shared_counter;   /* 读 */
    tmp = tmp + 1;              /* 修改 */
    shared_counter = tmp;       /* 写 */
    /* 离开临界区后需要解锁 */
}

1.2.2 竞态条件（Race Condition）

竞态条件是指程序的执行结果依赖于多个执行流的相对执行顺序，当这个顺序不可控时，就会产生非预期的结果。竞态条件是临界区未正确保护时的直接后果。

下面通过一个经典例子说明竞态条件：

1.3 原子操作的概念

原子操作（Atomic Operation）是指不可被中断的操作，要么全部执行完成，要么完全不执行，不会出现中间状态。原子操作是构建锁和同步机制的最底层基础。

1.3.1 原子操作的本质

在硬件层面，原子操作通常由 CPU 指令直接支持，例如 x86 架构下的 LOCK 前缀指令、ARM 架构下的 LDREX/STREX 指令对。这些指令保证在操作过程中，其他 CPU 核心或线程无法干扰。

架构	原子指令示例	说明
x86/x86_64	`LOCK CMPXCHG`	原子比较并交换，带 LOCK 前缀保证总线锁定
x86/x86_64	`LOCK XADD`	原子加并返回原值
ARMv7/v8	`LDREX/STREX`	加载-独占/存储-独占，通过独占监视器实现原子性
RISC-V	`LR/SC`	加载保留/条件存储，类似 ARM 的 LDREX/STREX

1.3.2 Linux 内核中的原子操作 API

Linux 内核封装了平台无关的原子操作接口，位于 <asm/atomic.h> 和 <linux/atomic.h>：

/* 原子变量类型 */
atomic_t v;

/* 初始化 */
atomic_set(&v, 0);

/* 原子操作 */
atomic_inc(&v);          /* v++ */
atomic_dec(&v);          /* v-- */
atomic_add(5, &v);       /* v += 5 */
atomic_sub(3, &v);       /* v -= 3 */

/* 原子读与写 */
int val = atomic_read(&v);   /* 原子读取 */
atomic_set(&v, 10);         /* 原子写入 */

/* 原子比较并交换（CAS） */
int old = atomic_cmpxchg(&v, expected, new);

重要提示：普通 C 语言的 counter++ 不是原子操作，它在底层对应三条指令：读（load）、加（add）、写（store）。在多核环境下，这三条指令之间可能被其他核心打断，导致竞态条件。必须使用 atomic_inc() 等内核 API 保证原子性。

1.3.3 原子操作与锁的关系

原子操作是锁机制的底层构建块。下图展示了从硬件原子指令到高层锁机制的层次关系：

1.4 本章小结

并发 vs 并行：并发是逻辑上的同时执行（单核时间片），并行是物理上的同时执行（多核）。锁竞争分析主要关注并发场景下的资源争抢。
临界区：访问共享资源的代码段，必须通过同步机制保证互斥访问。
竞态条件：未保护临界区导致的执行结果不确定性，是锁竞争问题的根源。
原子操作：不可中断的操作，由硬件指令直接支持，是 spinlock、mutex、RCU 等所有同步机制的底层基石。