為什麼一行 C 不是一個步驟
在並行那個章節你見過那個醜陋的事實：當兩個執行緒共用同一個位址空間時，它們就共用每一個全域變數、每一個堆積物件，而硬體真的會讓它們在不同的核心上同時執行。那正是資料競爭會咬人的時刻。經典的例子看起來無害到極點。拿一個共用的 `int counter`，從兩個執行緒各跑一次 `counter = counter + 1`。你會以為計數會加二。常常確實如此。但有時候只加了一，而你剛剛親眼看著一次更新憑空消失。
原因在於 `counter = counter + 1` 不是一個步驟。CPU 沒辦法在一個念頭裡就對記憶體做加法；它必須先把目前的值載入暫存器，加一，再把結果存回去。這三段式的舞步就是讀取—修改—寫回，而縫隙就在這裡張開。如果執行緒 A 載入了 5，然後執行緒 B 在 A 存回之前也載入了 5，兩者都算出 6、都寫回 6，於是一次遞增永遠遺失。兩個執行緒各自的邏輯都沒壞——這個 bug 完全活在交錯之中。
把一種糟糕的交錯大聲推一遍。執行緒 A 載入 `r = 5`。在 A 來得及存回之前，排程器切到執行緒 B，它也載入了 `r = 5`。A 加一並存回 `counter = 6`。B 仍握著它那個過時的 5，再加一、再次存回 `counter = 6`。兩次遞增都跑了，計數器卻只從 5 動到 6——第二次寫入蓋掉了第一次。5 和 6 這些值都沒問題；載入與存回剛好如何交錯的那個順序，才是整個病灶。
為危險命名：臨界區
修法的第一步，是為那段危險的程式碼取個名字。臨界區（critical section）是指任何一段碰觸共用可變狀態的指令，而且這碰觸不能被另一個做同樣事情的執行緒打斷。在計數器的例子裡，整個載入—加—存回就是一個臨界區。目標不是要讓那三條指令變得不可中斷——作業系統照樣可以在中途暫停你的執行緒——而是要保證在你執行那一段時，沒有別的執行緒同時在跑它自己的同一段。
那個保證也有個名字：互斥。「互斥」的意思是任何一瞬間最多只有一個執行緒能待在臨界區裡；當一個在裡面時，其他想進去的全都得等。把它想成一間只能容一人、只有一把鑰匙的洗手間。誰都可以在外面等；只有握著鑰匙的人在裡面；他出來時把鑰匙交給下一個。鑰匙不會讓你變快，也不會讓那棟建築消失——它只是替那一間房強制執行一次一個。
互斥鎖：一把有主人的鎖
強制執行互斥的工具就是互斥鎖——英文 mutex 是 mutual exclusion 的縮寫。它就是洗手間那把鑰匙，在軟體裡成真。互斥鎖只有兩個狀態，未鎖與已鎖，外加一個誰持有它的概念。你把臨界區夾在一次上鎖與一次解鎖之間，剩下的交給互斥鎖：第一個呼叫上鎖的執行緒走進去；當它被持有期間，任何其他呼叫上鎖的執行緒會被作業系統送去睡覺，直到主人解鎖為止。用 POSIX 執行緒時，這兩個呼叫是 pthread_mutex_lock() 與 pthread_mutex_unlock()。
pthread_mutex_t m = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int counter = 0;
void bump(void) {
pthread_mutex_lock(&m); /* enter critical section */
counter = counter + 1; /* now safe: we hold m */
pthread_mutex_unlock(&m); /* leave; wake a waiter */
}注意這把鎖真正替你買到了什麼。當一個執行緒持有 m 時，它可以放心地把資料弄亂、再修好——例如從串列上摘掉一個節點，那會讓串列一瞬間處於改了一半的狀態——只要在解鎖之前一切又恢復一致就好。那個承諾叫鎖不變式：一條在鎖空閒時恆成立、在持鎖期間可暫時被破壞、且必須在解鎖前修復的規則。正是這把鎖，讓你能擁有那些私密、凌亂的中途時刻，而不被任何其他人看見。
自旋還是睡覺？兩種等待方式
當鎖已經被持有時，等待中的執行緒有兩個誠實的選項，而它們的取捨非常不同。真正的互斥鎖會讓等待者睡覺：作業系統把它從執行佇列上移走，等到鎖空出來才喚醒它，所以一個被擋住的執行緒不燒任何 CPU。另一個選項是自旋鎖，它做的恰恰相反——它待在一個緊湊的迴圈裡不停地問「空了沒？空了沒？」直到搶到鎖。自旋浪費週期，但它省下了進出睡眠那一次內容切換的成本。
所以判斷的訣竅在於你預期要等多久。如果臨界區只有幾條指令、只持有幾奈秒，自旋往往勝出，因為一次內容切換可能比整段等待還貴。如果那一段可能被持有很久——更糟的是，如果持鎖者可能卡在 I/O 上——那自旋就是災難：你會白白燒掉一整個核心、什麼也沒做，而持鎖者卻在睡覺。自旋鎖在核心內部、以及經過仔細量測的熱路徑上才會發光；一般的應用程式碼，先伸手拿一把普通的互斥鎖，讓它去睡。
互斥鎖辦不到的事
對它的限制要誠實，因為一把只被半信半疑的鎖，比完全沒有鎖更危險。互斥鎖保護的，是你約定它保護的東西——而那個約定只活在你的腦袋和你的程式碼裡，從來不在語言之中。編譯器不會阻止另一個函式不拿 m 就去碰 `counter`。互斥鎖是一條靠大家都選擇對同一份資料、上同一把鎖來維繫的慣例。為每一份共用狀態選定一把鎖，把它記錄下來，並讓每一次存取都走過它。
互斥鎖本身也沒辦法讓你等待一個條件——好比「等到佇列非空為止」。你是可以上鎖、瞄一眼、解鎖、再迴圈，但那種忙碌等待浪費 CPU、又跟鎖打架。乾淨的解答是另一個工具，條件變數，那正是下一篇要建立的。而且互斥鎖也不是最便宜的工具：對單一個計數器來說，一個無鎖的原子操作可以用一個不可分割的硬體步驟完成遞增，完全不用鎖。原子操作對微小的更新是個真正的替代方案——我們會在這個章節的尾聲遇到它——但它沒辦法像互斥鎖那樣，擴展去保護一個多步驟的不變式。