操作系统基本知识回顾---同步互斥

一、基本概念

(一)进程特征

经典的OS教材一般会讲到四点：并发，共享，异步，不确定。后两者有不可分割的关系，前两点是操作系统发展的灵魂。所以还是非常重要的概念。学过OS课程的，对于并发和并行的区别并不陌生，不再赘述。异步是什么意思呢？字面意思！对滴，就是不同步发生，这个特性在系统的实现中体现的淋漓尽致，因为我们不能给出同步的硬件解决方案，只能通过异步形式跟踪程序进行，监听变化，随之发生设定到的变化。那不确定性又是什么意思呢？不确定多适用于实验系统，良好的实验要求有可复现性，但是基于CPU运算中各种随机因素，进程的执行就有不确定性这个特点。也因此，我们的大计算机科学才没能够在创建初期迅速崛起。

基于进程的这些特点，我们如何实现进程之间的通信成为问题，当然我们可以通过简单的共享实现，但那种方式比价消耗资源，同时效率不是很高，还容易出错，最大的问题是进程间消息的协作，关键活动的独立性等都是要解决的问题。于是进程间的同步互斥机制就产生了。

在进行分析之前，先总结一下，可能用到同步互斥机制的问题：

1.带共享资源的读写问题，这类问题是很经典的，不需解释；具体的例子有读者写者问题，飞机订票，银行取款，哲学家进餐，过河问题等；

2.带共同目的的协作问题，这类问题可以做出进程协作图，不同进程之间通过通信进行同步。具体的例子比如各类工程管理驱动图，关键路径，spooling技术等；

3.带有竞争条件的上述问题的集合，是综合了同步互斥机制和实现过程的大问题。

于是乎，我们来简单介绍一下几个提到概念。

(二)同步互斥相关概念

竞争条件：几个进程并发访问一个共享资源，结果取决于进程的运行时序，而顺序是不确定的，所以出现不确定因素；

进程互斥：对于一个共享资源，一次只能被一个进程使用，使用这个资源的进程之间构成互斥关系；

临界资源：互斥中提到的共享资源便是临界资源；

临界区：对于临界资源进行操作的一段程序称作临界区，临界区有些使用的原则：任何两个进程不能同时进入临界区；不能对CPU的运行速度进行任何的假设，换句话说，使用临界区的进程不能估算出在临界区中的时间；临界区外的进程不能阻塞其他进程，也就是保证了竞争临界区条件的公平性；不能使临界区外的进程无限等待，要么不等，要么临界区内的程序限时出临界区，重新竞争；

(三)实现方案

实现互斥的可选方案有两类：硬件，软件。

硬件方案以中断为核心，方式有屏蔽中断，使用汇编指令关闭中断；软件以加锁形式进行互斥，保证资源在自己使用的过程中不被剥夺。具体的有Dekker、Petersion解法比较靠谱。

这里的锁当然仅是一个不可被打断的标志位。D童鞋使用两个标志位完成了加锁，一个是抛硬币，一个是共享锁标识；P同学的思路更切合于当前的加锁思路，将加锁过程抽象出来，给使用锁的用户抛出进入临界区和出临界区的函数接口。具体实现过程中，使用了D同学的思路。P同学算是使用软件方式真正完成加锁算法的第一人。

硬件解决方案就没什么可说的，进临界区关中断，出临界区开，简单明了。但是，关中断的过程中，限制了CPU的并发能力，不适用与多处理器系统。当然，更开关中断相类似的TSL汇编指令也有相同的弊端。

无论如何，反正是解决了互斥的问题，现在来尝试做一个例子：生产者消费者问题（隶属于第一类）专业一点，叫有限缓冲区问题

问题描述：N个生产者，N个消费者，每次只有一个生产者向缓冲区中加入新产品，每次只有一个消费者从缓冲区中取走产品，保证缓冲区满的时候停止放入，缓冲区空的时候停止取走；同时应该避免忙等待。

问题解决思路：生产者进程之间互斥向缓冲区放入，mutex1；消费者之间互斥从缓冲区中取，mutex2；缓冲区一次只能有一个人在操作，mutex；缓冲区内数量限制，为空不能取，为满不能放，count；为了避免忙等待，应该维护一个等待列表，waitList。然后画出逻辑关系图，开始写代码就行啦。具体的实现过程，可以参考网上其他资料，此处不再赘述。

(四)进程同步问题

系统中的多个进程之间为同一个目的，存在一定的时序问题，需要相互合作。具体讲，一个进程运行起来需要另一个进程输出的条件，等待这个进程的时候，该进程进入阻塞态。同步是互斥的特例，或者反过来讲也没有问题。

二、信号量

基于上述软件解决方案，65年Dijkstra提出了信号量的概念，NB一时。说白了，还是一个数据结构类型的变量，维护一个队列和一个计数器，同时包含对成员的PV操作。他的NB之处并非提出了这么一个改进版的变量，而是将原语的概念引入计算机，前边已经提到了这个概念。规定，我的PV操作是不可中断的，这就是霸气。

刚开始提出的时候用于解决互斥问题，就是二值信号量，随后将计数器改为多值，进而可以解决同步问题。然后给出了使用方案；

首先分析问题，画出逻辑关系图，划定临界区；设置二值信号量解决互斥问题，多值解决同步问题，给出初值；用PV操作包围临界区

尝试使用信号量解决读者写者问题，此处不再赘述，一定要按照上边给出的方案进行分析和设计。

三、管程

首先，管程是神马玩意？一贯风格，先猜一下，管理进程的玩意？NO

虽然猜错了，但猜测的过程是重要的，我们没猜准只能说明这名起的有问题，或者翻译有问题。monitor应该翻译成啥比较合适呢？我宁可翻译成班长。

重新认识一下：首先从根本上入手，引入信号量的时候，给出了一个数据结构和对数据结构的操作。随着OOAD的发展，类的概念貌似更适合这样一个类型，对滴，管程就是一个类。

还是正规一点，从头开始：

(一)为啥需要管程？

使用过信号量进行编程的童鞋可能有这样的体会，一定要小心翼翼的，一不小心设计不好，就死锁了，或者程序本来运行的不错，给老师一检查，就死机了。。。这不仅说明个人能力有问题，同时也说明了这个机制有问题，比如公司大部分人早上都会迟到，因为迟到扣工资的不胜枚举，一方面说明大家都比较懒，不太在乎迟到，同时说明，似乎迟到这个机制的标准定的有些不合理，比如7点上班。这是个分析问题的好思路，有点跑题。继续说管程的由来。

如上所述，信号量机制有问题，这么复杂的逻辑处理过程应该交给计算机来处理，保证编程的高效和规范正确；另外，同步机制应该给出固定的规范性的东西，让大家有法可依。当然NB的科学家们早就发现了这个问题，于是管程出现了，Hansen和Hoare比较出名。

(二)管程的定义

通过共享数据结构抽象的表示系统共享资源，并把对共享数据结构实施的操作定义为一个处理过程。我们把这个管理过程称作管程。Hansen给出了一个更加贴切的定义：一个管程定义了一个数据结构和能为并发进程调用的一组操作，这组操作用于同步进程并改变管程中的数据。之所以说这个定义比较好，是因为H从类的角度给出了定义，说明了管程中包含的四大部分：共享变量、条件变量、并行执行的进程、初始化类成员的构造函数。由此，并行执行的进程只能通过管程提供的方法访问共享变量，相当于把共享变量封装到管程中，完成了任务。有人会问，管程中如何实现开关中断或者锁这样的原语操作呢？PV操作是怎么实现的呢？这就是管程的NB之处，管程将具体的实现过程屏蔽，具体的实践过程由编译器自动完成，也就是我们一直讲的机制上，改进了同步互斥问题的解决方案。

(三)管程的任务

管程通过对共享变量的保护实现互斥问题；通过条件变量实现同步问题，条件变量好像有点陌生，下边会详细讲。首先要声明的是，条件变量这东西，只能由管程的wait() signal()等自己定义的方法访问，记住这一点，用起来就轻松一些了。

(四)管程使用过程中遇到的问题

当一个进程在管程中执行wait()操作后，他等待在管程中，并释放了共享变量的互斥权，其他进程可以使用管程，这时新进入的进程执行了signal()操作，唤醒了等待的老进程，此时，两个进程都在管程中，这如何是好？上边提到的两个大牛分别给出了解决方案。也就是我们说的条件变量的部分。

(五)Hoare管程

管程是互斥进入的，在管程外部等待的进程通过一个叫做入口等待队列的链表进行维护。进入管程而被迫的等待的进程加入叫做紧急等待队列的链表，后者的优先级要高于前者。条件变量就是维护这两个链表的变量，在条件变量上可以执行wait()signal()操作，具体可以参见度娘解释。

(六)Mesa管程

引入notify方法，当进程执行本方法时，使得等待队列接收可执行通知，发送信号的进程继续执行。

(七)两种管程的比较

Hoare管程：优先考虑被唤醒线程；执行signal操作的线程放弃锁，等待在管程中(紧急等待队列中)；被唤醒进程得到管程的锁；执行signal操作的线程之后得到锁继续运行；

Mesa管程：让两个线程竞争管程的锁；动态调整每个进程获得管程锁的优先级；signal(x)：线程在发出signal后释放锁，两个线程同时竞争该锁，谁获得谁先执行。

四、同步机制的实现例子

(一)linux中的同步机制

linux中实现了常见的大多数各种机制，作为亮点的话，就是自旋锁了，所谓自旋锁就是名字比较D，实际上就是忙等资源，因为他们觉得切换进程的开销比忙等要大，尤其是多核系统中。传统的自旋锁会导致死锁，改进版的排队自旋锁解决了这个问题，其来源是银行叫号系统。

(二)Pthread中的同步机制

POSIX中同步机制就比较传统了，实现的是最基本的信号量和锁机制，具体的话可以参看pthread函数列表。