1.竞争与协作
1.1.互斥的概念
由于多线程执行操作共享变量的这段代码可能会导致竞争状态，因此我们将此段代码成为临界区
临界区是访问共享资源的代码片段，一定不能给多线程同时执行
我们希望这段代码是互斥的，也就是说保证一个线程 在临界区执行时，其他线程应该被阻止进入临界区，说白了，就是这段代码执行过程中，最多只能出现一个线程
1.2.同步的概念
例：线程1负责读入数据，线程2负责处理数据，这两个线程是相互合作，相互依赖的。线程2没有收到线程1的唤醒通知是，就是一直阻塞等待，当线程1读完数据需要把数据传给线程2时，线程1会唤醒线程2，并把数据交给线程2处理
所谓同步，就是并发进程/线程在一些关键点上可能需要互相等待与互通消息，这种相互制约的等待与胡同信息称为进程/线程同步
1.3.概念不同
解释
- 同步：操作A应该在操作B之前执行
- 互斥：操作A和操作B不能在同一时刻执行
2.互斥与同步的实现和使用
为了实现进程/线程间正确的协作，操作系统必须提供进程协作的措施和方法，主要的方法有两种：
- 锁：加锁，解锁操作
- 信号量：P，V操作
这两个都可以方便地实现进程/线程互斥，而信号量比锁的功能更强一些，它还可以方便地实现进程/线程同步
2.1.锁
使用加锁操作和解锁操作可以解决并发线程/进程的互斥问题
任何相进入临界区的线程，必须限制性加锁操作，若加锁操作顺利通过，则线程可进入临界区，在完成对临界资源的访问后再执行解锁操作，以释放临界资源
根据锁的实现不同，可以分为忙等待锁和无忙等待锁
- 忙等待锁：当获取不到锁时，线程就会一直while循环，不做任何事情，所以就被称为忙等待锁，也被称为自旋锁
- 无等待锁：当没所获取到锁的时候，就把当前线程放入到锁的等待队列，然后执行调度程序，把cpu让给其他线程执行
2.2.信号量
2.2.1.概述
信号量是操作系统提供的一种协调共享资源访问的方法
通常信号量表示资源的数量，对应的变量是一个整形（sem）变量
另外，还有两个原子操作的系统调用函数来控制信号量，分别是：
- P操作：将
sem减1,相减后，如果sem < 0,则进程/线程进入阻塞等待，否则继续，表明P操作可能会阻塞 - V操作：将
sem加1,相加后，如果sem <= 0,唤醒一个等待中的线程/进程，表明V操作不会阻塞
P操作是用在进入临界区之前，V操作是用在离开临界区之后，这两个操作是必须成对出现的
2.2.2.使用
信号量不仅可以实现临界区的互斥访问控制，还可以线程间的事件同步
信号量实现临界区的互斥访问
为每类共享资源设置一个信号量s,其初值为1，表示临界资源未被占用
只要把临界区设置于P(s)和V(s)之间，即可实现进程/线程互斥：
此时，任何想进入临界区的线程，必先在互斥信号量上执行 P 操作，在完成对临界资源的访问后再执行 V 操作。由于互斥信号量的初始值为 1，故在第一个线程执行 P 操作后 s 值变为 0，表示临界资源为空闲，可分配给该线程，使之进入临界区。
信号量实现事件同步
同步的方式是设置一个信号量，其初值为 0。
我们举例「吃饭-做饭」同步的例子，用代码的方式实现一下：
semaphore s1 = 0; //表示不需要吃饭
semaphore s2 = 0; //表示饭还没做完
//儿子线程函数
void son()
{
while(TRUE)
{
肚子饿;
V(s1); //叫妈妈做饭
P(s2); //等待妈妈做饭
吃饭;
}
}
//妈妈线程函数
void mon()
{
while(TRUE)
{
P(s1); //需不需要做饭
做饭;
V(s2); //做晚饭，通知儿子吃饭
}
}
妈妈一开始询问儿子要不要做饭时，执行的是 P(s1) ，相当于询问儿子需不需要吃饭，由于 s1 初始值为 0，此时 s1 变成 -1，表明儿子不需要吃饭，所以妈妈线程就进入等待状态。
当儿子肚子饿时，执行了 V(s1)，使得 s1 信号量从 -1 变成 0，表明此时儿子需要吃饭了，于是就唤醒了阻塞中的妈妈线程，妈妈线程就开始做饭。
接着，儿子线程执行了 P(s2)，相当于询问妈妈饭做完了吗，由于 s2 初始值是 0，则此时 s2 变成 -1，说明妈妈还没做完饭，儿子线程就等待状态。
最后，妈妈终于做完饭了，于是执行 V(s2)，s2 信号量从 -1 变回了 0，于是就唤醒等待中的儿子线程，唤醒后，儿子线程就可以进行吃饭了
2.3.生产者-消费者问题
生产者-消费者问题描述：
生产者在生成数据后，放在一个缓冲区中；消费者从缓冲区取出数据处理- 任何适合，只能有一个生产者或消费者可以访问缓冲区
我们对问题分析可以得出：
- 任何时刻只能有一个线程操作缓冲区，说明缓冲区是临界代码，需要互斥：
- 缓冲区空时，消费者必须等待生产者生产数据；缓冲区满时，生产者必须等待消费者取出数据。说明生产者和消费者需要同步
那么我们需要三个信号量，分别是：
- 互斥信号量
mutex：用于互斥访问缓冲区，初始化值为1 - 资源信号量
fullBuffers：用于消费者询问缓冲区是否有数据，有数据则读取数据，初始化值为0（表明缓冲区一开始为空） - 资源信号量
emptyBuffers：用于是生产者询问缓冲区是否有空位，有空位则生成数据，初始化值为n（缓冲区大小）
具体的代码是实现：
#define N 100
semphore mutex = 1; //互斥信号量，用于临界区的互斥访问
semphore emptyBuffers = N; //表示缓冲区空槽的个数
semphore fullBuffers = 0; //表示缓冲区满槽的个数
//生产者线程函数
void producer()
{
while(TRUE)
{
P(emptyBuffers); //将空槽的个数 - 1;
P(mutex);
将生产的数据放入到缓冲区中;
V(mutex);
V(fullBuffers); //将满槽的个数 + 1;
}
}
//消费者线程函数
void consumer()
{
while(TRUE)
{
P(fullBuffers); //将满槽的个数 - 1;
P(mutex);
从缓冲区读取数据;
V(mutex);
V(emptyBuffers); //将空槽的个数 + 1;
}
}
3.经典同步问题
3.1.哲学家就餐问题
问题描述：
5个老大哥哲学家，围着一张圆桌吃饭- 这个桌子只有
5个叉子，每两个哲学家之间放一个叉子 - 哲学家围在一起先思考，思考中途饿了就会想起进餐
- 这些哲学家需要两个叉子才愿意吃面，也就是需要拿到左右两边的叉子才进餐
- 吃完后，会把两个叉子放回原处，继续思考
如何保证哲学家们动作有序进行，而不会出现永远有人拿不到叉子呢？
方案一：信号量
#define N 5 //哲学家个数
semaphore fork[5]; //信号量初值为1
//也就是叉子的个数
void smart_person(int i) //i 为哲学家编号 0 - 4
{
while(TRUE)
{
think(); //思考
P(fork[i]); //去拿左边的叉子
P(fork[(i + 1) % N]); //去拿右边的叉子
eat();
V(fork[i]); //放下左边的叉子
V(fork[(i + 1) % N]); //放下右边的叉子
}
}
方案一看似自然，但是存在一个极端的问题：假设五位哲学家同时拿起左边的叉子，桌面上就没有叉子了，这样就没有人能够拿到他们右边的叉子，也就是说每一个哲学家都会在P(fork[(i + 1) % N]);这条语句阻塞了，很明显发生了死锁的现象
方案二：信号量 + 互斥信号量
#define N 5 //哲学家个数
semaphore fork[5]; //信号量初值为1
semaphore mutex; //互斥信号量，初值为1
void smart_person(int i) //i 为哲学家编号 0 - 4
{
while(TRUE)
{
think(); //思考
P(mutex); //进入临界区
P(fork[i]); //去拿左边的叉子
P(fork[(i + 1) % N]); //去拿右边的叉子
eat();
V(fork[i]); //放下左边的叉子
V(fork[(i + 1) % N]); //放下右边的叉子
V(mutex)； //推出临界区
}
}
方案二虽然能让哲学家按顺序吃饭，但是每次进餐只能由以为哲学家，而桌面上是有5把叉子，按道理是能可以有两个哲学家同时进餐的，所以从效率角度上，这不是最好的解决方案
方案三：信号量 + 奇偶法
- 偶数编号的哲学家：先拿左边的叉子后拿右边的叉子
- 奇数编号的哲学家：先拿右边的叉子后拿左边的叉子
#define N 5 //哲学家个数
semaphore fork[5]; //信号量初值为1
void smart_person(int i) //i 为哲学家编号 0 - 4
{
while(TRUE)
{
think(); //思考
if( i % 2 == 0)
{
P(fork[i]); //去拿左边的叉子
P(fork[(i + 1) % N]); //去拿右边的叉子
}
else
{
P(fork[(i + 1) % N]); //去拿右边的叉子
P(fork[i]); //去拿左边的叉子
}
eat();
V(fork[i]); //放下左边的叉子
V(fork[(i + 1) % N]); //放下右边的叉子
}
}
方案三即不会出现死锁，也可以两人同时进餐；因为相邻的两个人会首先查看两人中间的叉子有没有人拿
方案四：信号量 + 互斥信号量 + state状态数组
在这里再提出另外一种可行的解决方案，我们用一个数组 state 来记录每一位哲学家的三个状态，分别是在进餐状态、思考状态、饥饿状态（正在试图拿叉子）。
那么，一个哲学家只有在两个邻居都没有进餐时，才可以进入进餐状态。
第 i 个哲学家的左邻右舍，则由宏 LEFT 和 RIGHT 定义：
- LEFT : ( i + 5 - 1 ) % 5
- RIGHT : ( i + 1 ) % 5
比如 i 为 2，则 LEFT 为 1，RIGHT 为 3。
具体代码实现如下：
#define N 5 //哲学家个数
#define LEFT (i + N - 1) % N //i的左边邻居编号
#define RIGHT (i + 1) % N //i的右边邻居编号
#define THINKING 0 //思考状态
#define HUNGER 1 //饥饿状态
#define EATING 2 //进餐状态
int state[N]; //数据记录每个哲学家的状态
semaphore s[5]; //每个哲学家一个信号量，初值0
semaphore mutex; //信号量初值为1
void test(int i)
{
//如果 i 号的左边右边哲学家都不是进餐状态，把i号哲学家标记为进餐状态
if( state[i] == HUNGER &&
state[LEFT] == THINKING &&
state[RIGHT] == THINKING )
{
state[i] = EATING //两把叉子到手，进餐状态
V[s[i]]; //通知第i哲学家可以进餐了
}
}
//功能：要么拿到两把叉子，要么被阻塞起来
void take_forks(int i){
P(mutex); //进入临界区
state[i] == HUNGER; //标记处于饥饿状态
test(i); //获取叉子
V(mutex); //离开临界区
P(s[i]); //没有叉子则阻塞，有叉子则继续正常执行
}
//功能：把两把叉子放回原处，并在需要的时候，去唤醒左邻右舍
void put_forks(int i)
{
P(mutex); //进入临界区
state = THINKING; //标记处于思考状态
test(LEFT); //检查左边的左邻右舍是否在进餐，没则唤醒
test(RIGHT); //检查右边的左邻右舍是否在进餐，没则唤醒
V(mutex); //离开临界区
}
//哲学家主代码
void smart_person(int i)
{
while(TRUE)
{
think(); //思考
take_forks(i); //拿叉子吃饭
eat(); //吃饭
put_forks(i); //吃完放回叉子
}
}
上面的程序使用了一个信号量数组，每个信号量对应一位哲学家，这样在所需的叉子被占用时，想进餐的哲学家就被阻塞。
方案四同样不会出现死锁，也可以两人同时进餐.
3.2.读者-写者问题
为数据库建立的模型，读者只会读取数据，不会修改数据，而写者既可以读也可以写数据。
读者-写着问题描述：
- 读-读 允许：同一时刻，允许多个读者同时读
- 读-写 互斥：没有写者时读者才能读，没有读者时写者才能写
- 写-写 互斥：没有其他写者时，写者才能写
方案一：信号量 + 读者优先
- 信号量
wMutex：控制写操作的互斥信号量，初始值为 1 ； - 读者计数
rCount：正在进行读操作的读者个数，初始化为 0； - 信号量
rCountMutex：控制对 rCount 读者计数器的互斥修改，初始值为 1；
semaphore wMutex; //控制写操作的互斥信号量,初始值为1
semaphore rCountMutex; //控制对rCount的互斥修改,初始值为1
int rCount = 0; //正在进行读数据的读者个数, 初始值为0
//写者
void writer()
{
while(TRUE)
{
P(wMutex); //进入临界区
write(); //写数据
V(wMutex);; //离开临界区
}
}
//读者
void reader()
{
while(TRUE)
{
P(rCountMutex); //进入临界区
if(rCount == 0)
{
P(wMutex); //如果有写者,则阻塞写者
}
rCount ++; //读者加一
V(rCountMutex); //离开临界区
read(); //读数据
P(rCountMutex); //进入临界区
rCount --; //读者减一
if(rCount == 0)
{
V(wMutex); //最后一个读者离开了，则唤醒写者
}
V(rCountMutex); //离开临界区
}
}
总结：
- 读者优先的策略，因为只要有读者正在读的状态，后来的读者都可以直接进入
- 如果读者持续不断的进入，则写者将会处于饥饿状态
方案二：信号量 + 写者优先
- 信号量
wMutex：控制写者进入的互斥信号量，初始值为 1； - 信号量
rCount：记录读者数量，初始值为0； - 信号量
rCountMutex: 控制对rCount的互斥修改，初始值为 1； - 信号量
wDataMutex：控制写者写操作的互斥信号量，初始值为 1； - 写者计数
wCount：记录写者数量，初始值为 0； - 信号量
wCountMutex：控制 wCount 互斥修改，初始值为 1；
semaphore rMutex; //控制写操作的互斥信号量,初始值为1
semaphore rCountMutex; //控制对rCount的互斥修改,初始值为1
semaphore wDataMutex; //控制写者写操作的互斥信号量,初始值为1
semaphore wCountMutex; //控制对wwCount的互斥修改,初始值为1
int rCount = 0; //正在进行读数据的读者个数,初始值为0
int wCount = 0; //正在进行写数据的写者个数,初始值为0
//写者
void writer()
{
while(TRUE)
{
P(wCountMutex); //进入临界区
if(wCount == 0)
{
P(rMutex); //如果有读者,则阻塞读者
}
wCount ++; //写者加一
V(rCountMutex); //离开临界区
P(wDataMutex); //进入临界区
write(); //写数据
P(wDataMutex); //离开临界区
P(wCountMutex); //进入临界区
wCount --; //写者减一
if(wCount == 0)
{
V(rMutex); //最后一个写者离开了，则唤醒读者
}
V(wCountMutex); //离开临界区
}
}
//读者
void reader()
{
while(TRUE)
{
P(rMutex); //进入临界区
P(rCountMutex);
if(rCount == 0)
{
P(wDataMutex); //如果有写者,则阻塞写者
}
rCount ++; //读者加一
V(rCountMutex);
V(rMutex); //离开临界区
read(); //读数据
P(rCountMutex); //进入临界区
rCount --; //读者减一
if(rCount == 0)
{
V(wDataMutex); //最后一个读者离开了，则唤醒写者
}
V(rCountMutex); //离开临界区
}
}
注意：这里rMutex的作用，开始有多个读者，它们全部进入到读者队列；此时来了一个写者，执行了P(rMutex),之后所有的读者都阻塞在了rMutex上面，都不能进入读者队列，而写者的到来，则可以全部进入写者队列，因此保证了写者优先
同时，第一个写者执行了 P(rMutex) 之后，也不能马上开始写，必须等到所有进入读者队列的读者都执行完读操作，通过 V(wDataMutex) 唤醒写者的写操作。
总结：
- 只要有写者准备写入，写者应尽快执行写操作，后来的读者就必须阻塞
- 如果写着持续不断的写入，则读者就处于饥饿
方案三：公平策略
公平策略：
- 优先级相同
- 写者，读者互斥访问呢
- 只能有一个写者访问临界区
- 可以有多个读者同时访问临界区
semaphore flag; //控制写操作的互斥信号量,初始值为1
semaphore rCountMutex; //控制对rCount的互斥修改,初始值为1
semaphore wDataMutex; //控制写者写操作的互斥信号量,初始值为1
int rCount = 0; //正在进行读数据的读者个数,初始值为0
//写者
void writer()
{
while(TRUE)
{
P(flag); //进入临界区
P(wDataMutex); //进入临界区
write(); //写数据
P(wDataMutex); //离开临界区
V(flag); //离开临界区
}
}
//读者
void reader()
{
while(TRUE)
{
P(flag); //进入临界区
P(rCountMutex);
if(rCount == 0)
{
P(wDataMutex); //如果有写者,则阻塞写者
}
rCount ++; //读者加一
V(rCountMutex);
V(flag); //离开临界区
read(); //读数据
P(rCountMutex); //进入临界区
rCount --; //读者减一
if(rCount == 0)
{
V(wDataMutex); //最后一个读者离开了，则唤醒写者
}
V(rCountMutex); //离开临界区
}
}
总结：主要就是实现公平排队的功能
3.3.概念不同
- 哲学家就餐问题：互斥访问有限的竞争问题
- 读者-写者问题：数据库访问问题
