操作系统学习笔记—并发
操作系统的主要内容分为三个部分，分别是虚拟化、并发和持久性，上篇提到了虚拟化，这篇记录一下并发。
多线程
操作系统不但为每个进程创建巨大的、私有的虚拟内存的假象，还为单个运行的进程提供一种新的抽象—线程。经典观点是一个程序只有一个执行点，但多线程会有多个执行点。每个线程类似独立的进程，但有一个区别：多线程共享地址空间，从而能够访问相同的数据。
那如果有两个线程运行在一个处理器上，从一个线程切换到另一个线程的时候必然会发生上下文切换，线程之间的上下文切换和进程间的类似。对于进程，我们将状态保存到进程控制快(PCB)，那现在我们需要一个或多个线程控制块(TCB)来保存每个线程的状态。但与进程相比，线程之间的上下文切换的地址空间保持不变，即不需要切换当前使用的页表。
那我们对比一下传统的进程地址空间模型，只有一个栈，且通常位于地址空间的底部(图左)。
但在多线程中，每个线程独立运行，可以调用各种例程来完成正在执行的工作，且不只有一个栈(图右)。我们常说栈存储局部变量，堆存储全局变量，那这里其实堆区域是公用的，栈区域是每个线程有自己的地址空间。
看到这张图相信你可能会思考到内部碎片问题，这种担心是对的。幸运的是，栈通常不会很大。
原子性
当上面提到了多线程会共享同一个空间，但在一个线程想要读取a的值时，另一个线程中断并修改了a的值，我们不希望发生这样的事，所以此时我们希望a的指令是原子性的—全部或没有。
在这里有4个术语可以了解一下
- 临界区：访问共享资源的一段代码，资源通常是一个变量或数据结构
- 竞态条件：当多个执行线程大致同时进入临界区时，他们都试图更新共享的数据结构，导致了令人惊讶的结果
- 不确定性：程序由一个或多个竞态条件组成，程序的输出因运行而异，具体取决于哪些线程在何时运行，这导致结果是不确定的，而我们通常希望计算机给出确定的结果
- 互斥执行：为了避免上述问题，线程应该使用某种互斥原语，这样可以保证只有一个线程进入临界区，从而避免出现竞态，并产生确定的程序输出。
锁
上述是并发编程的一个最基本的问题，我们希望原子式的执行一系列指令，但由于单处理器上的中断，我们做不到。于是锁的概念应运而生，我们在源代码中加锁，放在临界区周围，保证临界区能够像单条原子指令一样执行。
举个例子
lock_t mutex;
...
lock(&mutex)
balance += 1
unlock(&mutex)锁其实就是一个变量，因此我们需要声明一个锁变量(如上面的mutex)才能使用，这个锁保存了某一时刻的状态。它要么是可用的—表示没有线程持有锁，要么是被占用的—表示有一个线程持有锁，正处于临界区。
关于lock()和unlock()函数
调用lock()尝试获取锁，如果没有其他线程持有锁，该线程会获得锁，进入临界区，这个线程被称为锁的持有者，此时如果另外一个线程对相同的锁调用lock()，因为锁被持有者持有，该调用不会返回，这样当持有锁的线程在临界区时，其他线程就无法进入临界区。
锁的持有者一旦调用unlock()，锁就变成可用了，如果没有其他等待线程，锁的状态就变成可用；如果有等待线程(卡在lock0里)，其中一个会注意到锁状态的变化，获取该锁，进入临界区。
锁为我们提供了最小程度的调度控制，我们把线程视为程序员创建的实体，但是被操作系统调度，具体方式由操作系统选择。锁让程序员获得一些控制权，通过给临界区加锁，可以保证临界区内只有一个线程活跃，使操作系统调度的混乱状态变得更为可控。
虽然锁简单好实现且有效，但在某些场景下，这个解决方案效率会大大降低。
比如当两个线程在单处理器上运行时，当一个线程持有锁，被中断，第二个线程获取锁发现已经被持有，因此它开始自旋。
不过自旋是非常消耗CPU资源的，所以我们希望思考一个方法可以解决这个问题。
第一个最简单的方式就是在需要自旋的时候，线程主动放弃CPU。因此，让出线程本质上取消调度了自己。但这种情况由于线程上下文切换需要更久的时间，解决不了当很多线程抢占同一把锁的问题，更糟的是，我们还没考虑到饿死的问题。
那第二个想法是使用队列，用休眠替代自旋。但会导致某一个进程将永远休眠的情况，这里不多赘述。
上面我们提到，锁是一种数据结构，那用到并发队列，是不是可以再往下想到并发链表呢？感兴趣可以自行了解一下。
条件变量
基于刚刚锁的自旋问题，我们提出一个解决方案--条件变量
线程可以使用条件变量来等待一个条件变成真，条件变量是一个显式队列，当某些执行状态不满足时，线程可以把自己加入队列等待该条件；当另外某个线程改变了上述状态时，就可以唤醒一个或者多个等待线程(通过在该条件上发信号)，让它们继续执行。
声明条件变量代码如下
pthread_ cond_ t c;
这里声明的 c 是一个条件变量，条件变量有两种相关操作: wait0 和 signal()
线程要睡眠的时候调用 wait()；线程想唤醒等待在某个条件变量上的睡眠线程时调用 signal()
信号量
信号量是有一个整数值的对象，在POSIX标准中，可以用两个函数来操作他
sem_wait() sem_post()
因为信号量的初始值能决定其行为，所以首先要初始信号量，才能调用其他函数与之交互
#include
sem_t s;
sem_init(&s,0,1); 上面代码中申明了一个信号量s，通过第三个参数，将其的值初始化为1；第二个参数，设置为0表示信号量是在同一进程的多个线程共享的。
to be continue...