同步的概念

• 協(xié)調(diào)多線(xiàn)程對(duì)共享數(shù)據(jù)的訪(fǎng)問(wèn)

• 任何時(shí)刻只能有一個(gè)線(xiàn)程執(zhí)行臨界區(qū)代碼

信號(hào)量

是操作系統(tǒng)提供的一種協(xié)調(diào)共享資源訪(fǎng)問(wèn)的方法。

• OS是管理者，地位高于進(jìn)程
• 用信號(hào)量表示系統(tǒng)資源的數(shù)量

信號(hào)是一種抽象數(shù)據(jù)類(lèi)型

• 由一個(gè)整形(sem)變量和兩個(gè)原子操作組成
• P操作：
  a. sem減1；
  b. 如sem<0,進(jìn)入等待，否則繼續(xù)
• V操作：
  a. sem加1；
  b. 若sem <=0,喚醒一個(gè)等待進(jìn)程

信號(hào)量的特性：

• 信號(hào)量是被保護(hù)的整數(shù)變量
  a. 初始化完成后，只能通過(guò)P和V操作修改
  b. 由操作系統(tǒng)保證PV為原子操作
• P可能被阻塞，V不會(huì)被阻塞
• 通常信號(hào)量是”公平的“
  a. 線(xiàn)程不會(huì)被無(wú)限期阻塞在P操作
  b. 假定信號(hào)量等待按隊(duì)列順序

信號(hào)量的實(shí)現(xiàn)：

class Semaphore{
    int sem;
    WaitQueue q;
}

Semaphore::P(){
    sem --;
    if(sem < 0){
        Add this thread t to q;
        block(t);
    }
}

Semaphore::V(){
    sem ++;
    if(sem <= 0){
        Remove a thread t from q;
        wakeup(t);
    }
}

信號(hào)量的分類(lèi)：

• 二進(jìn)制信號(hào)量：資源數(shù)目為0或1
• 資源信號(hào)量：資源數(shù)目為任何非負(fù)數(shù)

信號(hào)量的使用：

• 互斥訪(fǎng)問(wèn)：臨界區(qū)的互斥訪(fǎng)問(wèn)控制

每類(lèi)資源設(shè)置為一個(gè)信號(hào)量，其初始值為1
mutex = new Semaphore();

mutex->P();
Critical Section;
mutex->V();
必須成對(duì)使用PV操作
P操作保證互斥訪(fǎng)問(wèn)臨界資源
V操作保證使用后釋放臨界資源
PV操作不能次序錯(cuò)誤，重復(fù)或遺漏

• 條件同步：線(xiàn)程間的事件等待

條件同步設(shè)置一個(gè)信號(hào)量，其初始值為0
conditon = new Semaphore(0);

假設(shè)線(xiàn)程A和B同時(shí)在執(zhí)行，若要滿(mǎn)足A在執(zhí)行N操作前，線(xiàn)程B必須要完成X操作
線(xiàn)程A

....M....
conditon->P();
....N....


線(xiàn)程B

....X....
conditon->V();
....Y....

如上，若線(xiàn)程A先于線(xiàn)程B執(zhí)行，那么執(zhí)行到P操作，會(huì)被阻塞，直到線(xiàn)程B
完成X操作，執(zhí)行V，信號(hào)量為1，這時(shí)A才可以繼續(xù)執(zhí)行下去。

管程

• 管程是一種用于多線(xiàn)程互斥訪(fǎng)問(wèn)共享資源的程序結(jié)構(gòu)
  a. 采用面向?qū)ο蠓椒ǎ?jiǎn)化了線(xiàn)程間的同步控制。
  b. 任一時(shí)刻最多只有一個(gè)線(xiàn)程執(zhí)行管程代碼。
  c. 正在管程中的線(xiàn)程可臨時(shí)放棄管理的互斥訪(fǎng)問(wèn)，等待事件出現(xiàn)時(shí)恢復(fù)

• 管程的使用
  a. 在對(duì)象/模塊中，收集相關(guān)共享數(shù)據(jù)
  b. 定義訪(fǎng)問(wèn)共享數(shù)據(jù)的方法

• 管程的組成
  a. 一個(gè)鎖：控制管理代碼的互斥訪(fǎng)問(wèn)
  b. 0或多個(gè)條件變量：管理共享數(shù)據(jù)的并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)

管程

條件變量

• 條件變量是管程內(nèi)的等待機(jī)制
  a. 進(jìn)入管程的線(xiàn)程因資源被占用而進(jìn)入等待狀態(tài)
  b. 每個(gè)條件變量表示一種等待原因，對(duì)應(yīng)一個(gè)等待隊(duì)列
• Wait操作
  a. 將自己阻塞在等待隊(duì)列中
  b. 喚醒一個(gè)等待者或釋放管程的互斥訪(fǎng)問(wèn)
• Signal操作
  a. 將等待隊(duì)列中的一個(gè)線(xiàn)程喚醒
  b. 如果等到隊(duì)列為空，則等同空操作

條件變量的實(shí)現(xiàn)：

Class Condition{
    int numWaiting = 0;
    WaitQueue q;
}

Condition::Wait(lock){
    numWaiting ++;
    Add this thread t to q;
    release(lock);
    schedule();
    require(lock);
}

Condition::Signal(){
    if(numWaiting > 0){
        Remove a thread t from q;
        wakeup(t);
        numWaiting --;
    }
}