信號量

? ? 兩個線程之間的互斥比較簡單,有時候線程之間還需要同步:一個線程必須等待另一個/多個線程完成才能開始工作。

? ? 比如,一個打印的工作線程,操作系統給其分配一個循環隊列(假設大小為5),旺財線程和小強線程兩個家伙會向這個隊列尾部添加文檔;而我這個打印線程要從同一個隊列的頭部讀取文件并打印,打印以后我就把這個文檔刪掉(見圖1)。


圖1

? ? 如果隊列是空的,那打印線程讀取文檔的時候讀不到,這時就需要等待旺財線程或者小強線程把文檔放進來。

? ? 如果隊列是滿的,那旺財/小強就必須等待打印線程刪除一個文檔,騰出位置來。這個時候互相等待就出現了,互斥鎖就搞不定這個問題了。

荷蘭有一個叫Dijkstra的人,發明了一個叫信號量(Semaphore)的東西,能解決這個問題。

所謂信號量,其實就是一個整數,基于這個整數有兩個操作: wait和signal。

“這是啥玩意?這么簡單能解決問題?再說了,這個s++、s--,在多線程切換下連自身的正確性都難保,還能解決別人的問題?” 旺財吃驚了。

旺財問得好,說明思考了。實際上,這個東西必須操作系統親自來實現,操作系統會在內核中實現wait和signal,讓線程們調用。比如操作系統在做s++、s--時,可以屏蔽中斷,不讓程序進行切換,這樣就可以保證其原子性了。

小強線程發現一個問題,那個wait()函數在s小于等于0的時候啥也不做,一直在循環,非常浪費CPU資源。操作系統稱之為“忙等待”,需要改進一下。

假設那個value值是2,旺財和小強都調用了wait()函數,都成功了,value值變成了0.如果另一個線程再去調用wait()函數,value值就會變成-1,它會進入阻塞狀態,并且加入等待隊列。如果旺財或小強線程調用了signal()函數,就會把value值變成0(有線程在等待),于是就把我這個線程喚醒了。

那么兩個線程的消費者和生產者的同步問題怎么解決?操作系統用信號量解決消費、生產者的同步問題。

兩個生產者線程假設都開始執行生產者代碼,先去執行wait(empty),發現沒有問題,因為empty為初始值5。接下來都去執行wait(lock),這時候就看誰先搶到了。如果旺財線程先搶到,旺財線程就可以往隊列里添加文件,然后釋放鎖,小強線程就可以接著添加文件了。最后旺財線程還要把full的值加1,目的是通知消費者,因為它可能在等待。

多線程情況下,由于線程執行隨時都有可能被打斷,還要保證正確性,所以不能有任何閃失。這對程序員的挑戰很大,如果出現了疏漏,則很難定位。

一般來說,程序員直接使用wait、signal編程,容易出錯。Java JDK會進行抽象和封裝,對于生產者-消費者問題,可以直接使用BlockingQueue,非常簡單,完全不用考慮這些wait、signal、full、empty。

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