互斥与同步的实现和使用

在进程/线程并发执行的过程中，进程/线程之间存在协作的关系，例如有互斥、同步的关系。

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。

一、锁

使用加锁操作和解锁操作可以解决并发线程/进程的互斥问题。

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」。

1.我们先来看看「忙等待锁」的实现

在说明「忙等待锁」的实现之前，先介绍现代 CPU 体系结构提供的特殊原子操作指令 —— 测试和置位（Test-and-Set）指令。

如果用 C 代码表示 Test-and-Set 指令，形式如下：

测试并设置指令做了下述事情:

• 把 old_ptr 更新为 new 的新值
• 返回 old_ptr 的旧值；

当然，关键是这些代码是原子执行。因为既可以测试旧值，又可以设置新值，所以我们把这条指令叫作「测试并设置」。

那什么是原子操作呢？原子操作就是要么全部执行，要么都不执行，不能出现执行到一半的中间状态

我们可以运用 Test-and-Set 指令来实现「忙等待锁」，代码如下：

我们来确保理解为什么这个锁能工作：

• 第一个场景是，首先假设一个线程在运行，调用 lock()，没有其他线程持有锁，所以 flag 是 0。当调用 TestAndSet(flag, 1) 方法，返回 0，线程会跳出 while 循环，获取锁。同时也会原子的设置 flag 为1，标志锁已经被持有。当线程离开临界区，调用 unlock() 将 flag 清理为 0。

• 第二种场景是，当某一个线程已经持有锁（即 flag 为1）。本线程调用 lock()，然后调用 TestAndSet(flag, 1)，这一次返回 1。只要另一个线程一直持有锁，TestAndSet() 会重复返回 1，本线程会一直忙等。当 flag 终于被改为 0，本线程会调用 TestAndSet()，返回 0 并且原子地设置为 1，从而获得锁，进入临界区。

很明显，当获取不到锁时，线程就会一直 while 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（spin lock）。

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。

（自旋锁不适合单处理器的原因是由于当一个进程处于自旋锁状态时说明其正在等待某一个资源，而在单处理器系统中，一旦发生了这种自旋锁，那么拥有资源的那个进程也会由于无法得到CPU而一直等待，这样之后，占用CPU的进程会等待另一个进程释放资源，占用资源的进程会等待另一个进程释放CPU，从而导致程序进入一个死锁的状态，因此单处理器不适合自旋锁）

2.再来看看「无等待锁」的实现

无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。

本次只是提出了两种简单锁的实现方式。当然，在具体操作系统实现中，会更复杂，但也离不开本例子两个基本元素。

二、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；

TIP

很多人问，V 操作 中 sem <= 0 的判断是不是写反了？

没写反，我举个例子，如果 sem = 1，有三个线程进行了 P 操作：

• • 第一个线程 P 操作后，sem = 0；
  • 第二个线程 P 操作后，sem = -1；
  • 第三个线程 P 操作后，sem = -2；

这时，第一个线程执行 V 操作后， sem 是 -1，因为 sem <= 0，所以要唤醒第二或第三个线程。

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。

举个类比，2 个资源的信号量，相当于 2 条火车轨道，PV 操作如下图过程：

1.操作系统是如何实现 PV 操作的呢？

信号量数据结构与 PV 操作的算法描述如下图：

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。

2.PV 操作如何使用的呢？

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。

为每类共享资源设置一个信号量 s，其初值为 1，表示该临界资源未被占用。

只要把进入临界区的操作置于 P(s) 和 V(s) 之间，即可实现进程/线程互斥：

此时，任何想进入临界区的线程，必先在互斥信号量上执行 P 操作，在完成对临界资源的访问后再执行 V 操作。由于互斥信号量的初始值为 1，故在第一个线程执行 P 操作后 s 值变为 0，表示临界资源为空闲，可分配给该线程，使之进入临界区。

若此时又有第二个线程想进入临界区，也应先执行 P 操作，结果使 s 变为负值，这就意味着临界资源已被占用，因此，第二个线程被阻塞。

并且，直到第一个线程执行 V 操作，释放临界资源而恢复 s 值为 0 后，才唤醒第二个线程，使之进入临界区，待它完成临界资源的访问后，又执行 V 操作，使 s 恢复到初始值 1。

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。

通过互斥信号量的方式，就能保证临界区任何时刻只有一个线程在执行，就达到了互斥的效果。

再来，我们说说如何使用信号量实现事件同步。

同步的方式是设置一个信号量，其初值为 0。

我们把前面的「吃饭-做饭」同步的例子，用代码的方式实现一下：

妈妈一开始询问儿子要不要做饭时，执行的是 P(s1) ，相当于询问儿子需不需要吃饭，由于 s1 初始值为 0，此时 s1 变成 -1，表明儿子不需要吃饭，所以妈妈线程就进入等待状态。

当儿子肚子饿时，执行了 V(s1)，使得 s1 信号量从 -1 变成 0，表明此时儿子需要吃饭了，于是就唤醒了阻塞中的妈妈线程，妈妈线程就开始做饭。

接着，儿子线程执行了 P(s2)，相当于询问妈妈饭做完了吗，由于 s2 初始值是 0，则此时 s2 变成 -1，说明妈妈还没做完饭，儿子线程就等待状态。

最后，妈妈终于做完饭了，于是执行 V(s2)，s2 信号量从 -1 变回了 0，于是就唤醒等待中的儿子线程，唤醒后，儿子线程就可以进行吃饭了。

三、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；

我们对问题分析可以得出：

• 任何时刻只能有一个线程操作缓冲区，说明操作缓冲区是临界代码，需要互斥；
• 缓冲区空时，消费者必须等待生产者生成数据；缓冲区满时，生产者必须等待消费者取出数据。说明生产者和消费者需要同步。

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）；

具体的实现代码：

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。