操作系统之同步与互斥
系统中可能有着许多并发的进程，在这些进程之间存在这些关系：
（1）间接制约关系：多个进程之间共享临界资源，例如打印机，全局变量。要保证各个进程互斥的访问临界资源，这种关系叫做进程互斥。
（2）直接制约关系：进程之间存在着某些时序关系，例如进程A需要在进程B执行完后才能执行，这种关系就是进程同步。（linux的内核同步参考：http://blog.csdn.net/lsjseu/article/details/10946119）
详细总结请看：经典线程同步总结
临界区
每个进程中，访问临界资源的那段代码叫做临界区。要保证各进程互斥进入临界区。在临界区前面设立一个段进入区，后面加上一段退出区。
while(true){
entry section;//进入区
critical section;
exit section;//退出区
}
为了实现互斥访问，有如下准则：
（1）空闲让进
（2）忙则等待
（3）有限等待：保证进程在有限时间进入临界区，不要把lz”饿死“。
（4）让权等待：等待的时候，让出CPU，不要让CPU空跑。(注意：linux的自旋锁就让CPU空跑了，但是开销很小)
信号量机制
信号量是一个记录性数据。信号量上提供了两种原子型的操作。即P操作，表示申请资源；V操作，表示释放资源。定义如下：
struct sem{
int value;
pointer_PCB queue;
}
void p(s)
{
s.value = s.value - 1;
if(s.value<0)//小于0，表示当前无资源，自己阻塞到等待队列
block(s.queue);
}
void v(s)
{
s.value = s.value + 1;
if(s.value<=0)//小于等于0，表示当前没有资源，但是我释放了一个资源，可以唤醒等待队列的第一个进程；
wakeup(s.queue);//如果大于0，表示资源有多余的，进程申请资源肯定能申请，无需唤醒任何进程
}
注：信号量用于互斥的时候，取值只能为1或者0,；但是为了实现同步的时候，就不一定小于1了，具体问题具体分析。多个生产者和消费者我就搞错了。信号量实现资源互斥访问
利用P/V操作很容易实现，资源互斥访问。因此，可以设置一个互斥信号量mutex=1（只能是0或者1），每个临界区插入p、v操作代码：
void process()
{
while(true){
p(mutex);
critical section;
v(mutex);
}
}注：p、v操作把临界区包起来，邪恶了。
信号量实现进程同步
信号量主要用于进程之间的同步问题。这里总结一个规律：P1进程一定要在P2进程后面执行，则定义一个信号量，在P1实现P操作（后继节点实现P操作，相对于申请资源），P2中实现V操作（前驱节点实现V操作，相对于释放资源）。这也说明进程同步的P、V操作分布在不同的进程中。
在windows编程里面实现线程同步可用关键段和互斥量，详细参考：
《秒杀多线程第五篇经典线程同步关键段CS》
《秒杀多线程第七篇经典线程同步互斥量Mutex》
例1：p1中的s1一定要在p2的s2执行过之后，根据上面分析，这里之存在一层同步关系，定义一个信号量sync。
sem sync = 0；
void p1()
{
p(sync)
s1;
}
void p2()
{
s2;
v(sync);
}注：在windows编程中，不要用关键段来实现sync信号量，因为关键段不能跨进程使用。最好用事件(Event)或者信号量。事件，互斥量，信号量都是内核对象，可以跨进程使用。
例2;如下图的前驱关系，实现同步
sem f1,f2,f3,f4,f5={0,0,0,0,0};
void s1(){
....
v(f1);//两个后继
v(f1);
}
void s2(){
p(f1);//前驱s1
....
v(f2);//两个后继
v(f2);
}
void s3(){
p(f1);//前驱s1
....
v(f3);//一个后继
}
void s4(){
p(f2);//前驱s2
....
v(f4);//一个后继
}
void s5(){
p(f2);//前驱s2
....
v(f5);//一个后继
}
void s6(){
p(f3);//前驱s3
p(f4);//前驱s4
p(f5);//前驱s5
}
生产者-消费者问题
windows编程线程同步请参考：
《秒杀多线程第六篇经典线程同步事件Event》
《秒杀多线程第八篇经典线程同步信号量Semaphore》
（1）一个生产者、一个消费者和一个缓冲区
这里面有一个同步和互斥问题。同步：消费者要等到缓冲区满后才能消费，即生产者是消费者前驱。而生产者要等消费者要等缓冲区空后才能生产，即消费者是生产者前驱。互斥：消费者和生产者不能同时访问缓冲区。
生产者和消费者问题windows编程，参考：生产者-消费者问题
按照上面的分析分别设定如下信号量：
sem empty = 1；//生产者和消费者同步
sem full = 0；//生产者和消费这同步
sem mutex = 1；//缓冲区互斥
producer()
{
while(true){
p(empty);//消费者通知生产者
p(mutex);//保证buffer互斥访问
生产者生产放进buffer；
v(mutex);
v(full);//通知消费者可以消费
}
}
consumer()
{
while(true){
p(full);//由生产者通知
p(mutex);//保证buffer互斥访问
从buffer里面消费；
v(mutex);
v(empty);//通知生产者可生产
}
}（2）多个生产者、多个消费者和多个缓冲区
一样的思路，多了两个变量in和out分别表示放进那个buffer缓冲区和从哪个缓冲区取。下面程序原本我忽略了一个问题，我是将empty=1，这就不对了。应该是这样的sem empty = MAX（MAX表示你的缓冲区个数）。如果还是初始化为1，每次只能限制生产一个产品，而且还有等待消费者把这个产品消费掉后，生产者才会去生产，而且最终谁去生产，就看谁先抢到empty这个信号量了。在windows编程里面可以用下语句：
Empty = CreateSemaphore(NULL, 4, 4, NULL); //前一个值表示，初识值为4，而且最大值可以为4。
Full = CreateSemaphore(NULL, 0, 4, NULL); //初识为0，最大值可以达到0。
之前看这个程序一直纳闷，现在彻底明白了，彻底懂了，更正如下：
const int MAX = 4；//缓冲区的个数
sem empty = MAX ；//生产者和消费者同步
sem full = 0；//生产者和消费这同步
sem mutex = 1；//缓冲区互斥
int in = out = 0;
producer()
{
while(true){
p(empty);//消费者通知生产者
p(mutex);//保证buffer互斥访问
in = (in + 1)%MAX;
生产者生产放进buffer[in];
v(mutex);
v(full);//通知消费者可以消费
}
}
consumer()
{
while(true){
p(full);//由生产者通知
p(mutex);//保证buffer互斥访问
out = (out + 1)%MAX;
从buffer[out]里面消费；
v(mutex);
v(empty);//通知生产者可生产
}
}下面考虑这样一个问题：
const int MAX = 4;//缓冲区的数量
sem empty = 1；//生产者和消费者同步
sem full = 0；//生产者和消费这同步
sem mutex = 1；//缓冲区互斥
int in = out = 0;
producer()
{
while(true){
p(mutex);//交换
p(empty);//1
in =(in + 1)%MAX;
生产者生产放进buffer[in];
v(mutex);
v(full);
}
}
consumer()
{
while(true){
p(mutex);//2
p(full);//
out = (out + 1)%MAX;
从buffer[out]里面消费；
v(mutex);
v(empty);
}
}说明：上面这段程序交换了p(mutex)和p(empty)，带来什么后果呢？我们假设生产者生产跑得比较快，当生产者生产了一个商品后，消费者还没启动。当生产者进入语句//1，则由于buffer里面的东西没有被消费者干掉而等在这里。而此时，由于生产者进入临界区了，消费只能在外面等，无法进入临界区消费，只能在//2处等。这出现死锁现象。相当于生产者自己把门关了，却等着消费者来买东西，进不来啊，人家。
哲学家进餐问题
五个哲学家，坐在一个桌子上，五支筷子，五个碗。则有下面程序：
sem chopstick[5]={1,1,1,1,1}
void philosopher(int i)
{
while(true){
p(chopstick[i]);//取左边的筷子
p(chopstick[i+1]);//取右边的筷子
eating;//吃饭
v(chopstick[i]);
v(chopstick[i+1]);
thinking;//思考
}
}会出现这么一瞬间：当所有的哲学家都拿到了左边的筷子，想去拿右边的筷子时候，跪了，被人占了。于是大家就只能死等了。
解决方法：
（1）只允许四个哲学家坐在桌边；
（2）当且仅当哲学家可以拿起两边的筷子时，才允许他们拿，这看谁抢得快，抢不到就等吧。
（3）奇数号的哲学家必须首先抓起左边的筷子，偶数相反。
读者与写者问题
临界区允许多个读者同时进入，而写者只能互斥进入。这类问题叫做“读者-写者问题”。两种处理方案，一种是读者优先，另一种是写者优先。它们之间的区别在于，当写者提出请求后，是否允许读者进入。如果允许进入，表示读者优先，否则写者优先。
读者-写者问题windows编程，参考：读者-写者问题
（1）错误的方法
这种实现方法只能保证每次进去一个人，要么读者要么写者。
//这种实现方案
sem mutex = 1;
p(mutex);//只能保证每次只能进入一个读者读（写）文件
读者或写者可进入临界区
v(mutex);注：下面的程序当写者有多个的时候，不要简单的将信号量赋成1，不要犯同样的错误。
（2）读者优先方法
就是不管有没有写者，读者都可以进去读。感觉有点乱，下面程序是读者还是要等待写者写完了以后才能进去。
//下面实现一种读者优先的方案：
int readerCnt = 0;//记录当前的多少读者
sem hasreader = 0;//读者与写者之间的同步
sem mutex = 1;//reader变量互斥访问
Reader();//读者可以任意进入，读者来了，写者滚蛋
{
while(true){
p(mutex)
readerCnt++;//来一个读者，加一个读者
if(readerCnt>0)
p(hasReader);//如果此时，里面有写者，则阻塞读者，无写者读者可进入
v(mutex);
读者开始读书；
p(mutex)
readerCnt--;//读者读完离开
if(readerCnt==0)
v(hasReader);//没有读者的时候，才唤醒读者
v(mutex);
}
}
Writer()
{
while(true){
P(hasReader);
写者写书中...
V(hasReader);
}
}（3）写者优先方法
看了一个大牛写的写者优先思想：如果当前有写者在等待，则一定是写着先进入。读者进入的时候，要进行如下判断：一是否有写者正在写，这种情况肯定是不能进去的，只能在等待队列里面等；二是要判断写者等待的数量是否大于0，如果当前有写者在等待，还得继续等，因为写者优先嘛。
总结起来读者进入的条件：一是当前进入临界区一定是读者而且此时没有写者等等进入临界区，有写者正在写肯定是不能进入；二是有写者如果在等临界资源，只能给他让道；三是如果读者正在读的时候，来了一批写者，那么此时后面进来的读者也不能进入了，只能等当前正在读的读者进行完，然后这批写者进入写完，再才轮到这些读者，可怜啊。
注：读者优先反过来。
（4）读者和写者一样优先权
但是能保证读者多次进入，就是说，当前里面是读者，读者可以继续进入，但是写者不可以进入。写者只能互斥的进入。这里面存在两种前驱关系：
前驱关系1：没有写者，读者才能进入；
前驱关系2：没有读者，写者才能进入：
综上，应该是两个信号量，而不是一个信号量。以下代码：
sem mutex = 1;
p(mutex);//只能保证每次只能进入一个读者读（写）文件
v(mutex);
//下面实现一种读者优先权一样的方案：
int readerCnt = 0;//记录当前的多少读者
sem hasReader = 0;//读者，先让读者进入
sem hasWriter = 1;//写者
sem mutex = 1;//reader变量互斥访问
Reader();
{
while(true){
p(hasWriter)
p(mutex)
readerCnt++;//来一个读者，加一个读者
if(readerCnt>0)
p(hasReader);
v(mutex);
读者开始读书；
p(mutex)
readerCnt--;//读者读完离开
if(readerCnt==0)
v(hasReader);//唤醒读者
v(mutex);
}
}
Writer()
{
while(true){
P(hasReader);
写者写书中...
V(hasWriter);
}
}