操作系统导论习题解答（30. Condition Variables）

Condition Variables

输出结果如下：

在多线程情况下我们可以尝试使用共享变量，可以但是效率非常低下：

问题来了：在多线程情况下，线程应该如何等待条件？

1. Definition and Routines

condition variable有两个操作：

wait()		// 当一个线程希望被设置成sleep状态时被调用
signal()	// 当一个线程改变了程序中的某值，希望从sleep状态中被唤醒时被调用

看一下POSIX：

注意：wait中有个参数mutex，wait责任是释放锁并使调用程序进入sleep状态；当线程唤醒时，它必须重新获取锁，然后才能返回到调用方。

上述代码有两种执行情况：

1. parent线程创建child线程后继续执行thr_join()，由于done = 0，进入sleep状态等待child线程执行完毕，然后parent线程被唤醒，执行完毕。
2. parent线程创建child线程后，child线程直接开始执行，child线程执行完毕导致done = 1，然后parent线程不会进入sleep状态而是直接执行完毕。

如果上述情况没有done这个condition variable会怎么样？ 看看下面代码：

如果发生上述第2种情况，child线程发出signal后执行完毕（没有线程处于sleep状态），然后parent线程调用wait被卡住，没有线程会唤醒它。

如果没有加锁，会发生什么？看看如下代码：

如果parent线程创建child线程后继续执行，本来done = 0尝试进入sleep状态。但是这时刚巧发生了中断，开始执行child线程，改变done = 1并发出signal，但是没有线程在等待，因此无线程唤醒。然后转到parent线程执行时，它会永远进入sleep状态。

2. The Producer/Consumer (Bounded Buffer) Problem

上述代码可以在放入数据或获取数据时使用，但是对于同时进行这两个操作，那上述代码就会发生错误。
为了解决这个问题，设置共享缓冲区（shared buffer），有如下代码：

2.1 A Broken Solution

假设我们只有一个producer和一个consumer。进行如下第一次尝试：

上述代码对于一个producer和一个consumer而言有效，但是对于多个，有两个至关重要的问题：（1）producer唤醒T_c1，但在T_c1运行前，bounded buffer的状态已更改（由于T_c2）

2.2 Better, But Still Broken: While, Not If

处理上述问题很简单，把if改成while。如下所示：

但是，这代码还是有问题（上述提到的第2个问题）：（2）当两个线程（T_c2和T_p）都进入sleep状态后，该唤醒线程哪个线程？

2.3 The Single Buffer Producer/Consumer Solution

解决第二个问题的方法就是使用两个condition variable，能更好地标识出唤醒哪个sleep状态下的线程。

2.4 The Correct Producer/Consumer Solution

其实上述Figure 30.12中代码已经很好了，但是为了更好的并发性和高效性，我们还可以做一下优化。

3. Covering Conditions

再看一个例子。带着问题：当有多个sleep状态的线程时，哪个线程应该被唤醒？

考虑如下情况：假设没有多余字节可用，线程T_a调用allocate(100)，然后线程T_b调用allocate(10)，由于没有可用字节空间，T_a和T_b都进入sleep状态。接着T_c调用free(50)，当T_c发出signal唤醒正在等待的线程时，它可能没有正确唤醒T_b（T_a由于需要100字节故仍在sleep状态）。
解决这一问题的方法就是唤醒所有等待的线程（增加性能开销）。不必要的线程会重新检查condition，继续进入等待状态。