进程同步之生产者消费者问题

核心问题：当多线程多进程的编程时，只要有共享的数据（内存）被访问，数据就有可能被破坏。

生产者消费者问题

生产者往缓冲区写数据，消费者读数据，缓冲区有限制，一个只能读，一个只能写，且速度不一样。

count记录现在缓冲区的数据，这是两个进程中共享的变量，缓冲区最多可放BUFFER_SIZE个数据。
对于生产者而言，当count的数量和最大值相等时不做任何事，count一开始是0。
对于消费者而言，当count的数量和0相等时不做任何事。

count ++ 的汇编执行过程（3条指令）
先把内存中的值读入寄存器，寄存器执行+1，然后写回去=count。
多进程同时运行，发生切换时的这个点有规律吗？随时都有可能。切换的触发由中断引起，指令执行完才会触发中断（切换）。

蓝色是count++，红色是count–执行过程。当第一次count执行++时，在寄存器一+1指令完成后，要发生count–指令，此时的count还没来得及+1,就把初始值5给力寄存器二。

如何避免——竞争条件

两进程同时读不会破坏共享数据，写的时候会破坏。
临界区的保护：任意时刻不会有两个以上进程在临界区对数据操作。保护临界区常见的措施是锁，一个进程进去之后上锁，另一进程只有等锁解开了才能进入临界区。
如何加锁变量lock是共享资源
满足三个条件
1.互斥条件
2.进程
3.有限等待任何一个进程不能是个饿死进程

peterson solution

前提：两进程 /load，store 原子操作（指令不能发生中断）
i进程=true向进入临界区，如果j=false不想进入临界区，则不成立，所以j就进入临界区了。
j=true想进入临界区，turn=j就等，这是个stroe指令，一定是先后发生。
两进程间的来回切换

硬件可以控制中断（关中断）

缺点：
1.开关中断间的时间要短，太长数据丢失。
2.应用程序不能开关中断
3.多处理器系统麻烦

原子硬件指令TESTANDSET汇编
对内存单元执行时 ，对内存单元的值取出来，赋值true，最后把之前的值返回。

一个进程执行，lock=false，while（false）肯定不执行了，然后就进入了临界区，然后因为执行了TestandSet指令lock=true。另一个进程进入执行代码，现在while（TestAndSet）返回的是true，然后就一直循环等待且写true。在临界区的进程工作完后，lock=false，while（false）肯定不执行了，这样另一个进程就可以开始进入临界区了。

把函数作成一个系统调用就可以实现。

信号量（semaphore）

本身就是一个整数

wait() and signal () 即 P() and V()

整个操作是个原子操作，mutex好像锁的状态。

技术信号量

通过控制mutex值来控制进入临界区的个数

二进制信号量

互斥锁，mutex=1
避免忙等

每一个设备设置一个链表，等待的进程链在一起
需要两个系统调用：
block（阻塞）和wakeup（唤醒）

wait（）先减再去等，value=1，–，value=0，当前进程进入临界区。如果下一个进程的value小于0，就把当前进程加入队列里，进程就阻塞了。
Signal（）解锁，value++，<=0说明有其他进程等信号量，就唤醒一个进程。

重新回到生产者消费者问题
生产者：mutex是锁，保护这两个进程的共享资源访问；
wait(empty):一开始empty是n，empty-1，生产者生产数据往里面放了一个，如果好多生产者往里放数据，n+1个数量时就会阻塞，因为没有空位了 。多个生产者访问buffer时不会出现两个同时向一个格子里写数据的情况。
signal(full)，代表有多少个各自是满的。

消费者：只有生产者signal（full）才会唤醒

读者-写者问题

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帖子在修改时，有很多人在读，那么读的内容是修改的还是原来没修改的。
同一时间只有一个写操作，写者获得了wrt锁，就能进行写操作

读者
读者获得了mutex互斥信号量，对readcount起保护作用，就能进入临界区。来一个读者，对readcount++，读完了readcount–。readercount=1，第一个读者读时，wait（wrt）把写者拒之门外，再有读者过来，继续读；读完后readcount–，=0时释放wrt。相当于图书馆有两扇门，一个是读者门，一个是写者门，第一个读者进来后，把写者们关了，然后一个个的读者进来了，最后一个读者离开的时候再把写者门开了。
问题：只要读者不出来，写者永远不能写。

文件系统和数据库都需要用到这个问题，对数据的访问，指针指向来进行读，新来的数据不直接写，而是新开一块空间，更新完毕后改指针，再回收原来的空间

哲学家就餐问题

哲学家一生只做吃饭和思考两件事。五个哲学家，五根筷子

管程（monitor）

更高阶的对临界区进行保护的方法，实现于语言层面，把进程放到管子里。给函数加关键字，就不能同时又多个进程线程进入函数执行，