经典同步问题
一、哲学家就餐问题
先来看看哲学家就餐的问题描述：
5个老大哥哲学家，闲着没事做，围绕着一张圆桌吃面；- 巧就巧在，这个桌子只有
5支叉子，每两个哲学家之间放一支叉子； - 哲学家围在一起先思考，思考中途饿了就会想进餐；
- 奇葩的是，这些哲学家要两支叉子才愿意吃面，也就是需要拿到左右两边的叉子才进餐；
- 吃完后，会把两支叉子放回原处，继续思考；
那么问题来了，如何保证哲 学家们的动作有序进行，而不会出现有人永远拿不到叉子呢？
1.方案一
我们用信号量的方式，也就是 PV 操作来尝试解决它，代码如下：
上面的程序，好似很自然。拿起叉子用 P 操作，代表有叉子就直接用，没有叉子时就等待其他哲学家放回叉子。
不过，这种解法存在一个极端的问题：假设五位哲学家同时拿起左边的叉子，桌面上就没有叉子了， 这样就没有人能够拿到他们右边的叉子，也就说每一位哲学家都会在 P(fork[(i + 1) % N ]) 这条语句阻塞了，很明显这发生了死锁的现象。
2.方案二
既然「方案一」会发生同时竞争左边叉子导致死锁的现象，那么我们就在拿叉子前，加个互斥信号量，代码如下：
上面程序中的互斥信号量的作用就在于，只要有一个哲学家进入了「临界区」，也就是准备要拿叉子时，其他哲学家都不能动，只有这位哲学家用完叉子了，才能轮到下一个哲学家进餐。
方案二虽然能让哲学家们按顺序吃饭，但是每次进餐只能有一位哲学家，而桌面上是有 5 把叉子，按道理是能可以有两个哲学家同时进餐的，所以从效率角度上，这不是最好的解决方案。
（设置 1 个临界区以实现 1个哲学家 “同时”拿起左右 2把叉子的效果。 即进入临界区之后，保证成功获取到左右 2 把叉子 并 执行相关代码后，才退出临界区。
是在成功拿起左右叉子之后就退出临界区，而“只让1个哲学家就餐”是在拿起左右叉子 + 吃意面 + 放下左右叉子 一套流程走完之后才退出临界区。）
3.方案三
那既然方案二使用互斥信号量，会导致只能允许一个哲学家就餐，那么我们就不用它。
另外，方案一的问题在于，会出现所有哲学家同时拿左边刀叉的可能性，那我们就避免哲学家可以同时拿左边的刀叉，采用分支结构，根据哲学家的编号的不同，而采取不同的动作。
即让偶数编号的哲学家「先拿左边的叉子后拿右边的叉子」，奇数编号的哲学家「先拿右边的叉子后拿左边的叉子」。
上面的程序，在 P 操作时，根据哲学家的编号不同，拿起左右两边叉子的顺序不同。另外，V 操作是不需要分支的，因为 V 操作是不会阻塞的。
方案三即不会出现死锁，也可以两人同时进餐。
4.方案四
在这里再提出另外一种可行的解决方案，我们用一个数组 state 来记录每一位哲学家的三个状态，分别是在进餐状态、思考状态、饥饿状态（正在试图拿叉子）。
那么，一个哲学家只有在两个邻居都没有进餐时，才可以进入进餐状态。
第 i 个哲学家的左邻右舍，则由宏 LEFT 和 RIGHT 定义：
- LEFT : ( i + 5 - 1 ) % 5
- RIGHT : ( i + 1 ) % 5
比如 i 为 2，则 LEFT 为 1，RIGHT 为 3。
具体代码实现如下：
上面的程序使用了一个信号量数组，每个信号量对应一位哲学家，这样在所需的叉子被占用时，想进餐的哲学家就被阻塞。
注意，每个进程/线程将 smart_person 函数作为主代码运行，而其他 take_forks、put_forks 和 test 只是普通的函数，而非单独的进程/线程。
方案四同样不会出现死锁，也可以两人同时进餐。
二、读者-写者问题
前面的「哲学家进餐问题」对于互斥访问有限的竞争问题（如 I/O 设备）一类的建模过程十分有用。
另外，还有个著名的问题是「读者-写者」，它为数据库访问建立了一个模型。
读者只会读取数据，不会修改数据，而写者即可以读也可以修改数据。
读者-写者的问题描述：
- 「读-读」允许：同一时刻，允许多个读者同时读
- 「读-写」互斥：没有写者时读者才能读，没有读者时写者才能写
- 「写-写」互斥：没有其他写者时，写者才能写
接下来，提出几个解决方案来分析分析。
1.方案一
使用信号量的方式来尝试解决：
- 信号量
wMutex：控制写操作的互斥信号量，初始值为 1 ； - 读者计数
rCount：正在进行读操作的读者个数，初始化为 0； - 信号量
rCountMutex：控制对 rCount 读者计数器的互斥修改，初始值为 1；
接下来看看代码的实现：
上面的这种实现，是读者优先的策略，因为只要有读者正在读的状态，后来的读者都可以直接进入，如果读者持续不断进入，则写者会处于饥饿状态。
2.方案二
那既然有读者优先策略，自然也有写者优先策略：
- 只要有写者准备要写入，写者应尽快执行写操作，后来的读者就必须阻塞；
- 如果有写者持续不断写入，则读者就处于饥饿；
在方案一的基础上新增如下变量：
- 信号量
rMutex：控制读者进入的互斥信号量，初始值为 1； - 信号量
wDataMutex：控制写者写操作的互斥信号量，初始值为 1； - 写者计数
wCount：记录写者数量，初始值为 0； - 信号量
wCountMutex：控制 wCount 互斥修改，初始值为 1；
具体实现如下代码：
注意，这里 rMutex 的作用，开始有多个读者读数据，它们全部进入读者队列，此时来了一个写者，执行了 P(rMutex) 之后，后续的读者由于阻塞在 rMutex 上，都不能再进入读者队列，而写者到来，则可以全部进入写者队列，因此保证了写者优先。
同时，第一个写者执行了 P(rMutex) 之后，也不能马上开始写，必须等到所有进入读者队列的读者都执行完读操作，通过 V(wDataMutex) 唤醒写者的写操作。
3.方案三
既然读者优先策略和写者优先策略都会造成饥饿的现象，那么我们就来实现一下公平策略。
公平策略：
- 优先级相同；
- 写者、读者互斥访问；
- 只能一个写者访问临界区；
- 可以有多个读者同时访问临界资源；
具体代码实现：
看完代码不知你是否有这样的疑问，为什么加了一个信号量 flag，就实现了公平竞争？
对比方案一的读者优先策略，可以发现，读者优先中只要后续有读者到达，读者就可以进入读者队列， 而写者必须等待，直到没有读者到达。
没有读者到达会导致读者队列为空，即 rCount==0，此时写者才可以进入临界区执行写操作。
而这里 flag 的作用就是阻止读者的这种特殊权限（特殊权限是只要读者到达，就可以进入读者队列）。
比如：开始来了一些读者读数据，它们全部进入读者队列，此时来了一个写者，执行 P(flag) 操作，使得后续到来的读者都阻塞在 flag 上，不能进入读者队列，这会使得读者队列逐渐为空，即 rCount 减为 0。
这个写者也不能立马开始写（因为此时读者队列不为空），会阻塞在信号量 wDataMutex 上，读者队列中的读者全部读取结束后，最后一个读者进程执行 V(wDataMutex)，唤醒刚才的写者，写者则继续开始进行写操作。
