信号量与管程

一、概述

　信号量是操作系统提供的一种协调共享资源访问的方法。和用软件实现的同步比较，软件同步是平等线程间的的一种同步协商机制，不能保证原子性。而信号量则由操作系统进行管理，地位高于进程，操作系统保证信号量的原子性。

   信号量是跟锁机制在同一个层次上的编程方法。

   管程是为了解决信号量在临界区的PV操作上的配对的麻烦，把配对的PV操作集中在一起，生成的一种并发编程方法。其中使用了条件变量这种同步机制。

    

二、信号量

  1）概述

　 信号中包括一个整形变量，和两个原子操作P和V，其原子性由操作系统保证，这个整形变量只能通过P操作和V操作改变。

    P意味着信号量值减1，减完之后如果信号量值小于0，则说明资源不够用的，把进程加入等待队列。

　 V意味着信号量值加1，加完之后如果信号量值小于等于0，则说明等待队列里有进程，那么唤醒一个等待进程。

    

    

　 信号量的等待进程被放在等待队列中，按先进先出的次序执行。

    自旋锁不能保证进程按先进先出的次序执行，因为自旋锁的所有等待进程都在循环中忙等待，在临界区释放的那一刻，先检查到临界区为空的进程先进入临界区，没有先来后到之分。

  2）具体实现：

   

  3）信号量分类：

    i)二进制信号量：资源数目为0或1

    ii)资源信号量：资源数目为任何非负值

    两者其实是等价的，基于一个可以实现另一个。

  4) 信号量作用：

   i）实现临界区的互斥访问

     进入临界区之前使用P操作，如果信号量为1，则进入，且信号量设置为0。如果信号量为0，则进入等待队列。

     退出临界区之后使用V操作，信号量值加1，如果信号量还小于等于0，则唤醒等待队列中的一个进程。

     

  ii)实现条件同步

    一个线程A使用P操作，一个线程B使用V操作，初始的信号量设置为0。则为了满足某个条件，必须在线程B执行之后，才可以执行线程A。用信号量可以轻松实现这一点。

　

 5）用信号量实现生产者-消费者问题

　 

     

    

 6）使用信号量的缺陷

    读/开发代码比较困难，而且PV在不同的线程里配对，容易写错。而且必须先检查资源信号量的值，再进入临界区（即先写emptyBuffers->P(),再写mutex->P())，否则所有线程都不能进入临界区。

三、管程

 1）概述

   管程是为了解决信号量在临界区的PV操作上的配对的麻烦，把配对的PV操作集中在一起，生成的一种并发编程方法。其中使用了条件变量这种同步机制。

   管程与临界区不同的是，在管程中的线程可以临时放弃管程的互斥访问，让其他线程进入到管程中来。而临界区中的线程只能在线程退出临界区时，才可以放弃对临界区的访问。

    

  2）管程的组成

    当条件变量的数目为0时，管程和临界区相同。

    

  3）条件变量

　　一个条件变量就对应于一个等待队列，每个条件变量有一个Wait()操作和Signal（）操作。

    

   

 4）用管程实现生产者-消费者问题

   

　先进入管程，再进行判断。就是因为管程中的线程可以放弃对管程的互斥访问，交由其他线程访问管程。

   （视频里说 管程可以把PV操作都集中到一个模块里，我对此有疑问。。在我看来，不就是把两个信号量表示成两个条件变量了嘛。。PV还是分散的啊。求指教）

  5）管程条件变量的释放处理方式

    进程A执行，被阻塞，进入等待队列，切换到进程B，当进程B执行signal操作使进程A可以执行时，有两种方式：一种是等进程B执行完再执行进程A，另一种是立即切换到进程A，等执行完进程A再切换到进程B，执行进程B。

    第二种比第一种多了一次切换，所以第一种比较高效，但第二种容易证明其正确性。第一种主要用于真实OS和Java中，第二种主要见于教材中。

     

四、哲学家就餐问题

　　

   方案1：都先拿左边的叉子，再拿右边的叉子，拿不到就等着。当5个哲学家同时拿起左边的叉子时，就会引起死锁。

     

    方案2：某一时间内，只能有一个哲学家在进餐，其他的人都不许拿叉子。结果正确，但是效率低。

     

    方案3：按某一规律（下图是按奇偶数分类）让不同的哲学家先拿不同方向的叉子，即不是都先拿左手的叉子或右手的叉子，而是有的先拿左手的叉子，有的先拿右手的叉子。从而避免方案1中死锁的发生。

     

五、读者写者问题