进程同步、互斥机制
一、进程的并发执行
1. 并发是所有问题产生的基础。
2. 进程的特征：
并发：进程执行时间断性的，执行速度是不可预测的；
共享：进程/线程之间的制约性；
不确定性：进程执行的结果和执行的相对速度有关，所以是不确定的；
3. 举例：
1) 银行业务系统：进程的关键活动出现交叉；
2) get-->copy-->put;
并发环境下执行，时间上，速度上都不确定，执行次序的不同会导致不同的结果。
4. 并发环境的制约关系：进程前趋图
二、进程互斥（MUTUAL EXCLUSIVE）
1. 竞争条件：两个或多个进程在读写某些共享数据时，而最后的结果取决于进程运行的精确的时序；
2. 进程互斥：由于各个进程要求使用共享资源，而这些资源需要排他性的使用，各个进程之间竞争使用这些资源，这一关系称为进程互斥；
3. 临界资源：系统中某些资源一次只希望允许一个进程使用，称这样的资源为临界资源或者互斥资源或共享变量；
4. 临界区（互斥区）：多个进程中对某个临界资源实施操作的程序片段；
5. 临界区的使用原则：
1）如果没有进程在临界区，想进入临界区的进程就可以进入；
2）不允许两个进程同时处于临界区内；
3）临界区外运行的进程不得阻塞其他进程进入临界区；
4）不得使进程无限期等待进入临界区；
6. 实现进程互斥的方法：软件方案、硬件方案；
三、进程互斥的软件解法
软件方法：保护临界区
正确算法：
1. DEKKER算法
2. PETERSON算法（更好）
四、进程互斥的硬件解法
用特殊指令来达到保护临界区的目的；
1. 开关中断指令：
1）简单、高效
2）代价高，限制CPU的并发能力
3）不适用于多处理器
4）适用于操作系统本身，不适用于用户程序
2. 测试并加锁指令：
3. 交换指令：
4. 忙等待：进程在得到临界区访问权限之前，持续做测试而不做其他事情；（单CPU不提倡）
自旋锁：（多处理器情况），忙等待就比较好，因为切换的开销是很大的；
五. 进程同步
1. 进程同步（synchronization）：指系统中多个进程发生的时间存在某种时序关系，需要相互合作，共同完成某一项任务；
进程之间的协作关系；
2. 生产者消费者问题（又称为缓冲区问题）：
生产者进程-->缓冲区-->消费者进程
只能由一个生产者或者消费者对缓冲区进行操作；
避免忙等待：
睡眠与唤醒操作（原语）：sleep() 与 wakeup() 操作
3. SPOOLing系统：生产者消费者问题
六. 信号量及P、V操作（一种经典的进程同步机制）：
1. 1965荷兰学者Dijkstrat提出；P与V分别是荷兰语 test (proberen) 和 increment (verhogen);
信号量：
一个特殊变量，用于在进程间传递信息的一个整数值；
定义如下：
struct semaphore{
int count;
queueType queue;
}
信号量说明：semaphore a;
对信号量可以实施的操作：初始化、P操作和V操作；
2. P（down,semWait）、V（up,semSignal）操作
P操作相当于申请资源，而V操作相当于释放资源。所以要记住以下几个关键字：
P操作----->申请资源
V操作----->释放资源
P操作：信号量值减1；
然后判断信号量值是否小于0，如果小于0，则将该进程设置为阻塞状态；将该进程插入相应的等待队列s.queue末尾；
否则实施P操作的进程就继续执行；
V操作：信号量值加1；
如果信号量值<=0，则说明原来信号量上有进程在等待，所以唤醒s.queue中的第一个等待进程；改变其为就绪态，并将其插入就绪队列；
否则，实施v操作的进程就继续执行；
3. 说明：
- P操作和V操作是原语操作；
- 信号量上定义了三个操作：初始化（非负数）、P操作和V操作；
- 最初提出的是二元信号量（解决互斥），最后推广到一半信号量（多值）或计数信号量解决同步；
4. 在理解了PV操作的的含义后，就必须讲解利用PV操作可以实现进程的两种情况：互斥和同步。
1）一个生产者，一个消费者，公用一个缓冲区。
可以作以下比喻：将一个生产者比喻为一个生产厂家，如伊利牛奶厂家，而一个消费者，比喻是学生小明，而一个缓冲区则比喻成一间好又多。
第一种情况，可以理解成伊利牛奶生产厂家生产一盒牛奶，把它放在好又多一分店进行销售，而小明则可以从那里买到这盒牛奶。只有当厂家把牛奶放在商店里面后，小明才可以从商店里买到牛奶。所以很明显这是最简单的同步问题。
解题如下：
定义两个同步信号量：
empty——表示缓冲区是否为空，初值为1。
full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。
生产者进程
while(TRUE){
生产一个产品;
P(empty);
产品送往Buffer;
V(full);
}
消费者进程
while(TRUE){
P(full);
从Buffer取出一个产品;
V(empty);
消费该产品;
}
2）一个生产者，一个消费者，公用n个环形缓冲区。
第二种情况可以理解为伊利牛奶生产厂家可以生产好多牛奶，并将它们放在多个好又多分店进行销售，而小明可以从任一间好又多分店中购买到牛奶。同样，只有当厂家把牛奶放在某一分店里，小明才可以从这间分店中买到牛奶。
不同于第一种情况的是，第二种情况有N个分店（即N个缓冲区形成一个环形缓冲区），所以要利用指针，要求厂家必须按一定的顺序将商品依次放到每一个分店中。缓冲区的指向则通过模运算得到。
解题如下：
定义两个同步信号量：
empty——表示缓冲区是否为空，初值为n。
full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。
设缓冲区的编号为1～n-1，定义两个指针in和out，分别是生产者进程和消费者进程使用的指针，指向下一个可用的缓冲区。
生产者进程
while(TRUE){
生产一个产品;
P(empty);
产品送往buffer（in）；
in=(in+1)mod n；
V(full);
}
消费者进程
while(TRUE){
P(full);
从buffer（out）中取出产品；
out=(out+1)mod n；
V(empty);
消费该产品;
}
3）一组生产者，一组消费者，公用n个环形缓冲区
第三种情况，可以理解成有多间牛奶生产厂家，如蒙牛，达能，光明等，消费者也不只小明一人，有许许多多消费者。不同的牛奶生产厂家生产的商品可以放在不同的好又多分店中销售，而不同的消费者可以去不同的分店中购买。当某一分店已放满某个厂家的商品时，下一个厂家只能把商品放在下一间分店。所以在这种情况中，生产者与消费者存在同步关系，而且各个生产者之间、各个消费者之间存在互斥关系,他们必须互斥地访问缓冲区。
解题如下：
定义四个信号量：
empty——表示缓冲区是否为空，初值为n。
full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。
mutex1——生产者之间的互斥信号量，初值为1。
mutex2——消费者之间的互斥信号量，初值为1。
设缓冲区的编号为1～n-1，定义两个指针in和out，分别是生产者进程和消费者进程使用的指针，指向下一个可用的缓冲区。
生产者进程
while(TRUE){
生产一个产品;
P(empty);
P(mutex1)；
产品送往buffer（in）；
in=(in+1)mod n；
V(mutex1);
V(full);
}
消费者进程
while(TRUE){
P(full);
P(mutex2)；
从buffer（out）中取出产品；
out=(out+1)mod n；
V（mutex2）；
V(empty);
}
5. 用P、V操作解决进程间互斥问题：
- 分析并发进程的关键活动，划定临界区；
- 设置信号量mutex，初值为1；
- 在临界区之前实施P(mutex);
- 在临界区之后实施V(mutex);
七. 生产者消费者问题
生产者、缓冲区、消费者
生产者-消费者（producer-consumer）问题，也称作有界缓冲区（bounded-buffer）问题，两个进程共享一个公共的固定大小的缓冲区。
其中一个是生产者，用于将消息放入缓冲区；另外一个是消费者，用于从缓冲区中取出消息。
问题出现在当缓冲区已经满了，而此时生产者还想向其中放入一个新的数据项的情形，其解决方法是让生产者此时进行休眠，等待消费者从缓冲区中取走了一个或者多个数据后再去唤醒它。
同样地，当缓冲区已经空了，而消费者还想去取消息，此时也可以让消费者进行休眠，等待生产者放入一个或者多个数据时再唤醒它。
听起来好像蛮对的，无懈可击似的，但其实在实现时会有一个竞争条件存在的。为了跟踪缓冲区中的消息数目，需要一个变量 count。
如果缓冲区最多存放 N 个消息，则生产者的代码会首先检查 count 是否达到 N，如果是，则生产者休眠；否则，生产者向缓冲区中放入一个消息，并增加 count 的值。
消费者的代码也与此类似，首先检测 count 是否为 0，如果是，则休眠；否则，从缓冲区中取出消息并递减 count 的值。同时，每个进程也需要检查是否需要唤醒另一个进程。
代码可能如下：
// 缓冲区大小
#define N 100
int count = 0; // 跟踪缓冲区的记录数
/* 生产者进程 */
void procedure(void)
{
int item; // 缓冲区中的数据项
while(true) // 无限循环
{
item = produce_item(); // 产生下一个数据项
if (count == N) // 如果缓冲区满了，进行休眠
{
sleep();
}
insert_item(item); // 将新数据项放入缓冲区
count = count + 1; // 计数器加 1
if (count == 1) // 表明插入之前为空，
{ // 消费者等待
wakeup(consumer); // 唤醒消费者
}
}
}
/* 消费者进程 */
void consumer(void)
{
int item; // 缓冲区中的数据项
while(true) // 无限循环
{
if (count == 0) // 如果缓冲区为空，进入休眠
{
sleep();
}
item = remove_item(); // 从缓冲区中取出一个数据项
count = count - 1; // 计数器减 1
if (count == N -1) // 缓冲区有空槽
{ // 唤醒生产者
wakeup(producer);
}
consume_item(item); // 打印出数据项
}
}
看上去很美，哪里出了问题，这里对 count 的访问是有可能出现竞争条件的：缓冲区为空，消费者刚刚读取 count 的值为 0，而此时调度程序决定暂停消费者并启动执行生产者。生产者向缓冲区中加入一个数据项，count 加 1。
现在 count 的值变成了 1，它推断刚才 count 为 0，所以此时消费者一定在休眠，于是生产者开始调用 wakeup(consumer) 来唤醒消费者。但是，此时消费者在逻辑上并没有休眠，所以 wakeup 信号就丢失了。
当消费者下次运行时，它将测试先前读到的 count 值，发现为 0（注意，其实这个时刻 count 已经为 1 了），于是开始休眠（逻辑上）。而生产者下次运行的时候，count 会继续递增，并且不会唤醒 consumer 了，所以迟早会填满缓冲区的，
然后生产者也休眠，这样两个进程就都永远的休眠下去了。
使用信号量解决生产者-消费者问题
首先了解一下信号量吧，信号量是 E.W.Dijkstra 在 1965 年提出的一种方法，它是使用一个整型变量来累计唤醒的次数，供以后使用。在他的建议中，引入了一个新的变量类型，称为信号量(semaphore).
一个信号量的取值可以为 0（表示没有保存下来的唤醒操作）或者为正值（表示有一个或多个唤醒操作）。
并且设立了两种操作：down 和 up（分别为一般化后的 sleep 和 wakeup，其实也是一般教科书上说的 P/V 向量）。对一个信号量执行 down 操作，表示检查其值是否大于 0，如果该值大于 0，则将其值减 1（即用掉一个保存的唤醒信号）并继续；
如果为 0，则进程休眠，而且此时 down 操作并未结束。另外，就是检查数值，修改变量值以及可能发生的休眠操作都作为单一的，不可分割的 原子操作 来完成。
下面开始考虑用信号量来解决生产者-消费者问题了，不过在此之前，再次分析一下这个问题的本质会更清晰点：问题的实质在于发给一个（尚）未休眠进程（如上的消费者进程在只判断了 count == 0 后即被调度出来，还未休眠）的 wakeup 信号丢失
（如上的生产者进程在判断了 count == 1 后以为消费者进程休眠，而唤醒它）了。如果它没有丢失，则一切都会很好。
#define N 100 // 缓冲区中的槽数目
typedef int semaphore; // 信号量一般被定义为特殊的整型数据
semaphore mutex = 1; // 控制对临界区的访问
semaphore empty = N; // 计数缓冲区中的空槽数目
semaphore full = 0; // 计数缓冲区中的满槽数目
/* 生产者进程 */
void proceducer(void)
{
int item;
while(1)
{
item = procedure_item(); // 生成数据
down(&empty); // 将空槽数目减 1
down(&mutex); // 进入临界区
insert_item(item); // 将新数据放入缓冲区
up(&mutex); // 离开临界区
up(&full); // 将满槽的数目加 1
}
}
/* 消费者进程 */
void consumer(voi)
{
int item;
while(1)
{
down(&full); // 将满槽数目减 1
down(&mutex); // 进入临界区
item = remove_item(); // 从缓冲区中取出数据项
up(&mutex); // 离开临界区
up(&empty); // 将空槽数目加 1
consumer_item(item); // 处理数据项
}
}
该解决方案使用了三个信号量：一个为 full，用来记录充满的缓冲槽的数目，一个为 empty，记录空的缓冲槽总数，一个为 mutex，用来确保生产者和消费者不会同时访问缓冲区。
mutex 的初始值为 1，供两个或者多个进程使用的信号量，保证同一个时刻只有一个进程可以进入临界区，称为二元信号量（binary semaphore）。
如果每一个进程在进入临界区前都执行一个 down(...)，在刚刚退出临界区时执行一个 up(...)，就能够实现互斥。
另外，通常是将 down 和 up 操作作为系统调用来实现，而且 OS 只需要在执行以下操作时暂时禁止全部中断：测试信号量，更新信号量以及在需要时使某个进程休眠。
这里使用了三个信号量，但是它们的目的却不相同，其中 full 和 empty 用来同步（synchronization），而 mutex 用来实现互斥。
七. 用信号量解决读者/写者问题：
