多线程同步

一、竞争与协作

互斥

由于多线程执行操作共享变量的这段代码可能会导致竞争状态，因此我们将此段代码称为临界区，它是访问共享资源的代码片段，⼀定不能给多线程同时执行。所以我们希望这段代码是互斥的，也就说保证⼀个线程在临界区执行时，其他线程应该被组织进入临界区。

同步

所谓同步，就是并发进程/线程在⼀些关键点上可能需要互相等待与互通消息，这种相互制约的等待与互通 信息称为进程/线程同步。

互斥与同步

• 互斥：操作A和操作B不能在同⼀时刻执行
• 同步：操作A应在操作B之前执行，操作C必须在操作A和操作B都完成之后才能执行。

二、互斥与同步的使用

为了实现进程/线程间正确的协作，操作系统必须提供实现进程协作的措施和方法，主要的方法有两种：

• 锁：加锁、解锁操作
• 信号量：P、V 操作

这两个都可以方便地实现进程/线程互斥，而信号量比锁的功能更强⼀些，它还可以方便地实现进程/线程同步。

锁

任何想进⼊临界区的线程，必须先执⾏加锁操作。若加锁操作顺利通过，则线程可进⼊临界区；在完成后，对临界资源的访问后再执行解锁操作，以释放该临界资源。
根据锁的实现不同，可以分为忙等待锁和无忙等待锁。

• 忙等待锁：当获取不到锁时，线程就会⼀直wile循环，不做任何事情，所以就被称为忙等待锁，也被称为自旋锁。 这是最简单的⼀种锁，⼀直自旋，利用CPU 周期，直到锁可用。在单处理器上，需要抢占式的调度器（即不断通过时钟中断⼀个线程，运行其他线程）。否则，自旋锁在单 CPU上无法使用，因为⼀个自旋的线程永远不会放弃CPU。
• 无等待锁：等待锁顾明思议就是获取不到锁的时候，不用自旋。
  既然不想自旋，那当没获取到锁的时候，就把当前线程放入到锁的等待队列，然后执行调度程序，把CPU让给其他线程执行。

信号量

信号量是操作系统提供的⼀种协调共享资源访问的方法。 通常信号量表示资源的数量，对应的变量是⼀个整型（ sem ）变量。 另外，还有两个原子操作的系统调用函数来控制信号量的，分别是：

• P 操作：将 sem 减 1 ，相减后，如果 sem < 0 ，则进程/线程进⼊阻塞等待，否则继续，表明 P 操作可能会阻塞；
• V 操作：将 sem 加 1 ，相加后，如果 sem <= 0 ，唤醒⼀个等待中的进程/线程，表明 V 操作不会阻塞；

P 操作是用在进⼊临界区之前，V 操作是⽤在离开临界区之后，这两个操作是必须成对出现的。

PV 操作的函数是由操作系统管理和实现的，所以操作系统已经使得执行PV 函数时是具有原子性的。
信号量不仅可以实现临界区的互斥访问控制，还可以线程间的事件同步。
我们先来说说如何使用信号量实现临界区的互斥访问。
对于两个并发线程，互斥信号量的值仅取 1、0 和 -1 三个值，分别表示

• 如果互斥信号量为 1，表示没有线程进⼊临界区；
• 如果互斥信号量为 0，表示有⼀个线程进⼊临界区；
• 如果互斥信号量为 -1，表示⼀个线程进⼊临界区，另⼀个线程等待进⼊。

同步的方式是设置⼀个信号量，其初值为 0。

三、经典问题

生产者-消费者问题

生产者-消费者问题描述：

• 生产者在生成数据后，放在⼀个缓冲区中
• 消费者从缓冲区取出数据处理
• 任何时刻，只能有⼀个生产者或消费者可以访问缓冲区

那么我们需要三个信号量，分别是

• 互斥信号量 mutex ：用于互斥访问缓冲区，初始化值为 1
• 资源信号量 fullBuffers ：用于消费者询问缓冲区是否有数据，有数据则读取数据，初始化值为 0 （表明缓冲区⼀开始为空）
• 资源信号量 emptyBuffers ：用于生产者询问缓冲区是否有空位，有空位则生成数据，初始化值为 n （缓冲区大小）

如果消费者线程⼀开始执行P(fullBuffers) ，由于信号量 fullBuffers初始值为 0，则此时fullBuffers的值从0变为 -1，说明缓冲区里没有数据，消费者只能等待。接着，轮到生产者执行P(emptyBuffers) ，表示减少1个空槽，如果当前没有其他生产者线程在临界区执行代码，那么该生产者线程就可以把数据放到缓冲区，放完后，执行V(fullBuffers) ，信号量fullBuffers从-1变成0，表明有消费者线程正在阻塞等待数据，于是阻塞等待的消费者线程会被唤醒。 消费者线程被唤醒后，如果此时没有其他消费者线程在读数据，那么就可以直接进入临界区，从缓冲区读取数据。最后，离开临界区后，把空槽的个数 + 1。

哲学者就餐问题

先来看看哲学家就餐的问题描述

• 5个老大哥哲学家，闲着没事做，围绕着⼀张圆桌吃面
• 巧就巧在，这个桌子只有5支叉子，每两个哲学家之间放一支叉子
• 哲学家围在⼀起先思考，思考中途饿了就会想进餐
• 奇葩的是，这些哲学家要两支叉子才愿意吃面，也就是需要拿到左右两边的叉子才进餐
• 吃完后，会把两支叉子放回原处，继续思考

方案一：有叉子就用

假设五位哲学家同时拿起左边的叉子，桌面上就没有叉子了， 这样就没有人能够拿到他们右边的叉子，很明显这发生了死锁的现象。

方案二：只准一个人拿叉子

只要有一个哲学家进了临界区，也就是准备要拿叉子时， 其他哲学家都不能动，只有这位哲学家用完叉子了，才能轮到下一个哲学家进餐。

方案三：规定先拿的叉子

让偶数编号的哲学家先拿左边的叉子后拿右边的叉子，奇数编号的哲学家先拿右边的叉子后拿左边的叉子。

方案四：记录状态

我们用⼀个数组state来记录每⼀位哲学家在进程、思考还是饥饿状态（正在试图拿叉子）。 那么，一个哲学家只有在两个邻居都没有进餐时，才可以进入进餐状态。

读写者问题

读者-写者的问题描述：

• 读-读允许：同⼀时刻，允许多个读者同时读
• 读-写互斥：没有写者时读者才能读，没有读者时写者才能写
• 写-写互斥：没有其他写者时，写者才能写

方案一：读者优先的策略

• 信号量 wMutex ：控制写操作的互斥信号量，初始值为 1
• 读者计数 rCount ：正在进行读操作的读者个数，初始化为 0
• 信号量 rCountMutex ：控制对 rCount 读者计数器的互斥修改，初始值为 1

是读者优先的策略，因为只要有读者正在读的状态，后来的读者都可以直接进入，如果读者持续不断进⼊，则写者会处于饥饿状态。

方案二：写者优先策略

• 信号量 rMutex ：控制读者进⼊的互斥信号量，初始值为 1
• 信号量 wDataMutex ：控制写者写操作的互斥信号量，初始值为 1
• 写者计数 wCount ：记录写者数量，初始值为 0
• 信号量 wCountMutex ：控制 wCount 互斥修改，初始值为 1

方案三：公平策略

• 优先级相同
• 写者、读者互斥访问
• 只能⼀个写者访问临界区
• 可以有多个读者同时访问临界资源