【操作系统】第十章

来源：操作系统_清华大学(向勇、陈渝)

主要讨论：信号量、管程、条件互斥、经典同步问题

1.背景

并发问题：竞态条件
多线程并发存在大的问题。

同步：
多线程共享公共数据的协调协行
包括互斥与条件同步
互斥：在同一时间只有一个线程可以执行临界区

确保同步正确很难？
需要高层次的编程抽象（如：锁）
从底层硬件支持编译

2.信号量

这个信号量的概念来源自，我们临界代码访问资源时候，不一定互斥或者说上锁，因为我们可以是读操作，这样就要求对代码访问操作可以进行更多的控制。

一个整型int（sem），可进行两个原子操作：
P()：信号量sem–，如果sem<0，等待，否则继续，类似lock_acquire
V() ：信号量sem++，如果sem<=0，说明当前有等着的，唤醒挂在信号量上的进程，可以是一个，可以是多个

列车进入前是P操作，离开前是V操作。

3.信号量的使用

特征 ：
信号量是整数，有符号，一般初始是>0的数，一旦小于0就不能继续，要挂在信号量上，其他进程做V操作才能唤醒，具体唤醒哪个取决于具体的算法，如常用FIFO先来先服务，较为公平；

信号量是被保护的变量，初始化完成后只能通过P() V()这两个原子操作改变值，P操作会阻塞，V不会阻塞。

我们假定信号量是“公平的”，没有线程被阻塞在P（）操作仍然阻塞，如果V（）被无限频繁调用（在同一个信号量）。

两种类型：
二进制信号量：约等于锁，取值0 or 1
general counting一般/技术信号量：任何非负值

信号量可以用在两个方面，互斥或者条件同步（调度约束—–一个线程等待另一个线程的事情发生）

条件同步：

条件同步正确性要求：
1.可以多个生产者访问Buffer写数据，但写的时候消费者不能有操作（互斥），
2.缓冲区空，消费者必须等待生产者，
3.缓冲区满，生产者必须等待消费者（调度/同步约束）。

每个约束用一个单独的信号量，设置三个：
二进制信号量互斥(1/0)，一般信号量fullbuffers，一般信号量emptybuffer

4.信号量的实现

信号量的双用途：
1.互斥和条件同步
2.但等待条件是独立的互斥

读/开发代码比较困难：
程序员必须非常精通信号量

容易出错：
1.使用的信号量已经被另一个线程占用
2.忘记释放信号量

不能够处理死锁问题

5.管程

目的：分离互斥和条件同步的关注

管程（monitor）：包含了一系列的共享变量，以及针对这些变量的操作的函数的组合/模块

管程：
一个锁lock：指定临界区
0或者多个条件变量：等待/通知信号量用于管理并发访问共享数据

一般方法：
1.收集在对象/模块中的相关共享数据
2.定义方法来访问共享数据

临界区和MONITOR比较：

1.两个同步互斥的机制，临界区和monitor，比起LOCK都可以解决更广泛的问题，但也都离不开底层的硬件支持。
2.同步互斥的不确定性强，调试困难。

6.经典同步问题

7.景点同步问题