【OS 学习笔记】什么是同步、互斥？

一、背景

最近正在复习OS，为了更好理解其原理，便通过写博客来加深理解。由于知识水平有限，可能存在一些疏漏和不恰当之处，希望大佬们批评指点。

二、同步机制

1. 什么是同步和互斥？

同步Synchronization也称作制约关系，它是指为完成某种任务而建立的两个或多个进程，这些进程因为要在某些位置上协调它们的工作次序而等待、传递信息所产生的制约关系。进程间的直接制约关系就是源于它们之间的相互合作关系
同步适用对象：（两个或多个）数据库、文件、模块、线程之间用来保持数据内容一致性的机制。

互斥是指某一资源(临界资源，例如打印机、共享公共变量等)同时只允许一个访问者对其进行访问,具有唯一性和排它性。

在大多数情况下,同步已经实现了互斥,特别是所有写入资源的情况必定是互斥的。少数情况是指可以允许多个访问者同时访问资源

异步：相对于同步来说，不进行顺序执行。常JS引擎之使用（单线程）。另外，回调函数是异步操作最基本的方法。
关于异步的介绍

2. 同步的基本原则
   在看基本原则之前，首先明白，为什么需要同步和互斥？因为 为了提高CPU的利用率，便出现了多批道计算机，这样便可以进行并发（同一间隔，区别并行）操作。而并发操作则带来了如何去分配CPU已经其他资源（如内存，IO，设备等）。而就在处于CPU有限，请求资源过多就需要合理的调度，而为了防止数据不一致则带来了同步和互斥的问题。

• 空闲让进 当CPU空闲了，就需要让进程进去使用CPU（让CPU忙起来=> 提供CPU利用率）
• 忙则等待 当CPU有其他进程正在访问时，则需要进行等待，做到互斥，防止数据不一致。
• 有限等待 当然了，也不能一直等待，这样便会出现饥饿死等现象，用户请求得不到响应。
• 让权等待 把CPU让给更加需要的请求进程去使用。

3. 用代码来理解一下同步与互斥

进程1

public class SyncTask1 implements Runnable{
     
    @Override
    public void run() {
     
        System.out.println(new Date()+"SyncTask1正在工作...");
        System.out.println(new Date()+"SyncTask1工作结束...");
        // V操作,表面通知另外一个进程可以进行操作了,保证了同步。顺序执行
        SyncDemo.flag = true;
    }
}

进程2

public class SyncTask2 implements Runnable{
     
    @Override
    public void run() {
     
        // SyncTask2,它执行的前置动作还未完成,就一直等待,P操作进行检测上个动作是否完成
        while(!SyncDemo.flag);
        System.out.println(new Date()+"SyncTask2开始工作...");
        System.out.println(new Date()+"SyncTask2结束工作...");
    }
}

以上创建了两个进程，为了保证数据的安全和一致性，我们需要让进程2在进程1之后访问，按照顺序执行，也就是进程1是前置条件，进程2必须在进程1完成之后接着进行，这样来保证同步性。接下来进行测试。（其实有点像观察者模式？）

public class SyncDemo {
     
    // 同步PV操作的判断检测flag
    //volatile
    static public boolean flag = false;
    public static void main(String[]args){
     
        // 为演示效果,还故意将SyncTask2放在前面进行启动
        new Thread(new SyncTask2()).start();
        new Thread(new SyncTask1()).start();
    }
}

互斥（强调的是不能同时访问临界资源）。那么就设置一个mutex锁来判断是否有进程正在访问临界资源。于是有了以下代码。

public class Thread1 implements Runnable{
     

    @Override
    public void run() {
     
        // 当其他进程正在访问时,等待 =>
        while (MutexDemo.resourceMutex==false);
        // P操作，进行访问临界资源前的加锁
        MutexDemo.resourceMutex = false;
        for(int i =0;i<10;i++){
     
            System.out.println("Thread1 第"+i+"次工作");
            Resources.dataPool.add("产品"+i);
            //Resources.IoResources.;
        }
        // 释放锁,V操作
        MutexDemo.resourceMutex = true;

        // V操作进行提醒其他进程操作，达到同步
    }
}


public class Thread2 implements Runnable{
     
    @Override
    public void run() {
     
        while (!MutexDemo.resourceMutex);
        MutexDemo.resourceMutex = false;
        for(int i =0;i<10;i++){
     
            System.out.println("Thread2 第"+i+"次工作");
            Resources.dataPool.remove("产品"+i);
            //Resources.IoResources.;
        }
        // 释放锁,V操作
        MutexDemo.resourceMutex = true;
    }
}

4. 生产者消费者问题

分析问题：明确进程数量，以及进程之间的同步和互斥情况。当数据缓存区有空的时候，生产者就进行生产产品，直到无空缓冲区停止生产，当数据缓冲区有满的时候，消费者就进行消费直到无可消费。另外，缓冲区不能同时访问，因此需要加锁。

确定关系：

有分析问题可知，我们需要empty,full变量来分别表示空缓冲区量和满缓冲区量。以及一个信号量锁mutex来判断是否有进程正在访问临界资源。

整理问题写成代码：

public class Consumer implements Runnable{
     
    @Override
    public void run() {
     
        while(true){
     
            while(Main.full<=0||Main.mutex);

            Main.mutex = true;
            System.out.println(new Date()+"准备消费产品;空buffer区数量为"+Main.empty+";满buffer区数量为" +
                    ""+Main.full);
            Main.full--;
            Main.empty++;
            try {
     
                Thread.sleep(1000);
            }catch (Exception e){
     
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(new Date()+"消费产品结束;空buffer区数量为"+Main.empty+";满buffer区数量为" +
                    ""+Main.full);
            Main.mutex = false;

            try {
     
                Thread.sleep(2000+new Random().nextInt(2)*1000);
            } catch (InterruptedException e) {
     
                e.printStackTrace();
            }
        }

    }
}

public class Producer implements Runnable{
     
    @Override
    public void run() {
     
        while(true){
     
            // 同步P操作
            while (Main.empty<=0||Main.mutex);// 当空的buffer区小于等于0时进行等待（忙则等待？）,负数代表有进程正在等待（消费者消费过度）？
            // 互斥P操作，加锁
            Main.mutex=true;
            System.out.println(new Date()+"准备生产产品;空buffer区数量为"+Main.empty+";满buffer区数量为" +
                    ""+Main.full);
            Main.full++;// full加一，进行生产产品，导致buffer区满（一次性就生产满》）
            Main.empty--;
            try {
     
                Thread.sleep(1000);
            }catch (Exception e){
     
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(new Date()+"生产产品结束;空buffer区数量为"+Main.empty+";满buffer区数量为" +
                    ""+Main.full);
            // 释放锁(V操作)
            Main.mutex=false;
            //
            try {
     
                Thread.sleep(20+new Random().nextInt(2)*1000);
            } catch (InterruptedException e) {
     
                e.printStackTrace();
            }
        }

    }
}

public class Main {
     
    // 信号量
    static private final int N = 10;
    // 互斥锁,false代表无进程访问临界区
    volatile static public boolean mutex=false;
    // 空的buffer区
    volatile static public int empty=N;
    // 满的buffer区
    volatile static public int full=0;

    public static void main(String[]args){
     
        new Thread(new Producer()).start();
        new Thread(new Consumer()).start();
    }
}

补充说明：在未加volatile时，会出现和预期不一样的结果，因为设计到Java内存模型机制了。如果不设置volatile那么就不可见，于是在生产者改变mutex时，消费者是不可见的依然保持原有的false因此只会出现生产者的打印。