操作系统清华大学版笔记（十） 信号量、管程、条件互斥、经典同步问题（读者写者、哲学家问题）

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操作系统清华向勇陈渝版笔记（九） 同步协同多道程序设计和并发问题，同步互斥，死锁，临界区
操作系统（八）CPU调度 短剩余时间 吞吐量 轮循 实时调度 多处理器调度 （清华 向勇 陈渝版）

index
10-1 信号量
10-2 如何使用信号量
10-3 信号量实现细节
10-4 管程 条件变量
10-5 经典同步问题

10-1 信号量 Semaphore

一个整型int（sem），可进行两个原子操作

P() sem–，如果sem<0，等待，否则继续，类似lock_acquire
V() 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

Dijkstra在20实际60年代提出，P，V都是荷兰语，在早期操作系统中，P,V是主要的同步原语。

类似信号灯

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

思考：spinlock能否是FIFO？

10-2 如何使用信号量

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
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）

用二进制信号量实现锁的互斥

mutex= new semaphore(0)
mutex->P();
…Critical section…
mutex->V();

实现调度约束

condition=new semaphore(0);
for thread A   condition->P(); 开始等待
for thread B   condition->V(); 发出信号唤醒A ，B在V操作之前的语句执行完后才能执行A的P之后的语句----同步

条件同步

正确性要求：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），缓冲区空，消费者必须等待生产者，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

初始化

Class BoundedBuffer{
Mutex = new semaphore(1);
fullBuffers = new semaphore(0);
emptyBuffers = new semaphore(n); //当前生产者可以往里面放多少个数据
}

如果Buffer不空，则full/empty设别的值

BoundedBuffer::Deposit(c){
emptyBuffer->P();           //n个生产者都可以进入直到empty<0被阻塞，不能先锁再emptybuffer--, 不然会在Buffers满的时候死锁
mutex->P(); Add c to the buffer; mutex->V();
fullBuffers->V();               //初始是0，只有先V()不然消费者不能取}
BoundedBuffer::Remove(c){ 
fullBuffers->P();           //  初始是0时会被挂起
mutex->P();Remove c from buffer; mutex->V();
emptyBuffers->V();
}
P&V可以换顺序吗？可以。

10-3 信号量实现细节

class Semaphore{
int sem;
Waitqueue q;}

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

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

存在问题：

• 信号量的双用途，互斥和条件同步，等待条件是独立的互斥。和LOCK有区别，LOCK是通过忙等/等待队列实现sleep，信号量是等待队列。
• 开发容易犯错，比较困难
• 不能够处理死锁

10-4 管程 条件变量

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
包含了：一个锁，指定临界区，确保互斥性；0或者多个条件变量，根据条件的个数决定，等待/通知信号量，并发访问共享数据

lock acquire & release 可以写函数也可以是语言级的

condition variable 条件变量

wait() 释放锁，睡眠

signal / broadcast 唤醒等待者

类似信号量 要维持每一个条件队列

num waiting与信号量有差异，是等的队列的数目；signal不一定会使其减一

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调用管程解决消费者生产者问题
count记录了当前BUFFER的数据个数
先在前后加锁，因为要保证只有一个线程在临界区 lock在等待/睡眠的时候通过notfull.wait(&lock)释放锁。唤醒后获得锁。

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执行signal后，管程中有两个线程可以执行，应该选择哪个呢?

While和if的区别，前者release后是挂在条件变量上的多个线程抢CPU，抢到谁给谁，所以要check again, 后者是直接转交给了下一个线程，始终满足count< n的条件，所以直接走IF下面的语句

临界区和MONITOR比较：

• 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。
• 同步互斥的不确定性强，调试困难。

同步结构

• 锁：互斥
• 条件变量：有条件的同步
• 其他原语：信号量

10-5 经典同步问题

读者-写者问题

读者只读，写者可以读取和写入。
读者优先，不按时间顺序，跳过等待的写者优先进行读操作。

信号量的实现：
Data是共享变量
整数Rcount 当前读者的数目初始化为0，当前写者只有一个
保证互斥 信号量countmutex读者 writemutex写者 初始化为1

writemutex操作保证了写的互斥，和当前没有读者时，读者进入的互斥。
Rcount保证了可以有多个读者，由于自身是共享变量（对多个读者而言），所以在++ /– /判断操作的前后要用到countmutex

利用管程实现读者写者问题：
写者优先
存在两类写者，正在操作的写者和在等待的，只有两类都不存在时读者才可以进入

哲学家就餐问题

用信号量解决

改进，如果右边叉子在，就吃，不然就等

if(fork((i+1)%N)){take_fork((i+1)%N);   break;}
else{put_fork(i);   wait_some/random_time();}

如果都等待的是相同的时间，5个人同步，那肯定更不行
如果是随机时间，可行。但不完美。可能会饥饿。

#define N 5
#define Left ((n+i-1)%n)
#define Right ((n+i+1)%n)

eating其实就是临界区
think 开始要置为thinking 且state是临界资源，要用P,V来保护
先用人脑子想伪代码，再想变量和特殊数据结构的变量，互斥还是同步？逐步细化。注意match
避免死锁，饥饿，低效。

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