操作系统学习笔记（二） 信号量、条件变量、互斥量、读写锁
在有了进程和线程的模型之后，一个很大的问题就摆在眼前：进程和线程的执行顺序是不可预知的，那么，如何使得两个进程按照我们想要的顺序执行，从而得出正确的结果呢？
竞争条件：两个或者多个进程读写某些共享数据，最后的结果依赖于进程运行的精确时序。
临界区：把对共享内存进行访问的程序片段称作临界区。如果能使两个进程不可能同时处于临界区内，就能够避免竞争。
先引入一个经典的进程同步问题：生产者-消费者问题。
生产者-消费者问题：有一个缓冲区，一个（或多个）进程在生产某种产品，它生产的东西会放入缓冲区内；一个（或多个）进程在消费产品，它会从缓冲区内取走产品。当缓冲区满时，生产者应当暂时停止生产；当缓冲区为空时，消费者应当暂时停止消费。
很显然，这个问题用简单的判断缓冲区是否为0或N是无法解决的。如果在消费者判断缓冲区为0时，恰好遇到了进程切换，生产者进程开始运行，此时应当唤醒消费者，然而这个信号丢失了，因为切换到消费者才进行了睡眠。这时，生产者会不断运行，直到缓冲区满，两个进程全部睡眠，造成了死锁。代码如下：
#define N 1000 int count=0; void producer(void) { int item; while(TRUE) { item=produce_item(); if(count==N) sleep();//一段时间后，缓冲区满，生产者进程也睡眠了 insert_item(item); count=count+1; if(count==1) wakeup(consumer);//设想判断条件成立时，切换了进程，再次切回时，唤醒消费者进程，然而消费者进程此时没有睡眠，信号丢失 } } void consumer(void) { int item; while(TRUE) { if(count==0) sleep();//第一次count=1，消费者进程不会睡眠；第二次确实睡眠了 item=remove_item(); count=count-1;//此时缓冲区确实为空了 if(count==N-1) wakeup(producer); consume_item(item); } }
一、信号量
信号量是一种数据结构，可以理解为一个用来计数的整数和一个队列。整数用来记录唤醒次数，而队列被用来记录因为该信号量而阻塞的进程。
信号量只支持两种操作：P/V操作。
P操作，可以理解为测试并减一。P(signal1)，如果signal1大于0，那么把它减一，进程继续执行；如果signal为0，那么执行P操作的进程将会被阻塞，从而变为阻塞态，添加到因为signal1信号而阻塞的进程队列中。
V操作，可以理解为+1并唤醒。V(signal1)后，如果signal1本来就大于0，那么执行+1；如果有进程在该信号量上被阻塞，那么从队列中根据某种策略选择一个进程唤醒。如果多个进程在该信号量上阻塞，那么V操作后，signal1仍然可能为负数。
需要注意的是，P/V操作均应当是原子操作，即作为一个整体执行而不会被打断。
有了信号量，我们再来看生产者-消费者问题：
#define N 1000 typedef int semaphore; semaphore mutex=1;//控制对临界区的访问，其实就是互斥量 semaphore empty=N;//表示空槽的数量 semaphore full=0;//填满的槽的数量 int count=0; void producer(void) { int item; while(TRUE) { item=produce_item(); down(&empty); down(&mutex);//要改变共享区（缓冲区），加锁 insert_item(item); up(&mutex);//解锁 up(&full); } } void consumer(void) { int item; while(TRUE) { down(&full); down(&mutex); item=remove_item(); up(&mutex); up(&empty); consume_item(item); } }
有了信号量，这个问题就好解决多了：用信号量full、empty来表示已用和未用的数量，这样不管是满了还是空了，都不会造成死锁的问题。mutex的操作就是我们接下来要介绍的互斥锁。
二、互斥锁
互斥量其实可以理解为一个简化的信号量，它只有两种状态：0和1。互斥锁是用来解决进程（线程）互斥问题的。所谓进程互斥，就是两个进程实际上是一种互斥的关系，两者不能同时访问共享资源。
互斥量和信号量原理比较类似，一旦一个线程获得了锁，那么其它线程就无法访问共享资源，从而被阻塞，直到该线程交还出了锁的所有权，另外一个线程才能获得锁。
互斥锁的例子就不再给出，上面程序中已经有了，下面的程序中也会出现。
三、条件变量
条件变量是另外一种同步机制，可以用于线程和管程中的进程互斥。通常与互斥量一起使用。
条件变量允许线程由于一些暂时没有达到的条件而阻塞。通常，等待另一个线程完成该线程所需要的条件。条件达到时，另外一个线程发送一个信号，唤醒该线程。
条件变量对应的一组操作是pthread_cond_wait和pthread_cond_signal。
条件变量与互斥量一起使用，一般情况是：一个线程锁住一个互斥量，然后当它不能获得它期待的结果时，等待一个条件变量；最后另外一个线程向它发送信号，使得它可以继续执行。
需要注意的是，pthread_cond_wait会暂时解开持有的互斥锁。
四、读写锁
读写锁相对上面的问题会复杂一些，它被用来解决一个经典的问题：读者-写者问题。
读写锁与互斥量类似，不过读写锁允许更高的并行性。互斥量要么是锁住状态要么是不加锁状态，而且一次只有一个线程可以对其加锁。
下面的代码考虑的是读者优先的读者-写者问题，对于共享区域的读写规则如下：
1.只要有一个读者在读，后来的读者可以进入共享区直接读。
2.只要有一个读者在读，写者就必须阻塞，直到最后一个读者离开。
3.不考虑抢占式，写者在写时，即使有读者到达，也会在就绪态等待。
typedef int semaphore; semaphore mutex=1; //互斥锁,控制对rc的访问 semaphore db=1; //控制对数据库的访问 int rc=0; //当前读者计数 void reader(void) { while(TRUE) { down(&mutex);//加锁 rc=rc+1; if(rc==1) down(&db);//第一个读者，加锁 up(&mutex); read_data_base(); down(&mutex); rc=rc-1; if(rc==0) up(&db);//最后一个读者离开，解锁 up(&mutex); use_data_read(); } } void writer(void) { while(TRUE) { think_up_data(); down(&db);//获取数据库访问的锁 write_data_base(); up(&db); } }
这里，我们其实用了两个互斥锁来实现了读写锁。一个互斥锁用来保护共享区，另外一个互斥锁用来保护读者计数器。
读写锁可以由三种状态：读模式下加锁状态、写模式下加锁状态、不加锁状态。一次只有一个线程可以占有写模式的读写锁，但是多个线程可以同时占有读模式的读写锁。
在读写锁是写加锁状态时，在这个锁被解锁之前，所有试图对这个锁加锁的线程都会被阻塞。当读写锁在读加锁状态时，所有试图以读模式对它进行加锁的线程都可以得到访问权，但是如果线程希望以写模式对此锁进行加锁，它必须阻塞直到所有的线程释放读锁。虽然读写锁的实现各不相同，但当读写锁处于读模式锁住状态时，如果有另外的线程试图以写模式加锁，读写锁通常会阻塞随后的读模式锁请求。这样可以避免读模式锁长期占用，而等待的写模式锁请求一直得不到满足。
读写锁非常适合于对数据结构读的次数远大于写的情况。当读写锁在写模式下时，它所保护的数据结构就可以被安全地修改，因为当前只有一个线程可以在写模式下拥有这个锁。当读写锁在读状态下时，只要线程获取了读模式下的读写锁，该锁所保护的数据结构可以被多个获得读模式锁的线程读取。
读写锁也叫做共享-独占锁，当读写锁以读模式锁住时，它是以共享模式锁住的；当他以写模式锁住时，它是以独占模式锁住的。
五、总结
这里，主要是简单总结一下这几种同步量的用法。
1、互斥锁只用在同一个线程中，用来给一个需要对临界区进行读写的操作加锁。
2、信号量与互斥量不同的地方在于，信号量一般用在多个进程或者线程中，分别执行P/V操作。
3、条件变量一般和互斥锁同时使用，或者用在管程中。
4、互斥锁，条件变量都只用于同一个进程的各线程间，而信号量（有名信号量）可用于不同进程间的同步。当信号量用于进程间同步时，要求信号量建立在共享内存区。
5、互斥锁是为上锁而优化的；条件变量是为等待而优化的； 信号量既可用于上锁，也可用于等待，因此会有更多的开销和更高的复杂性。
参考书籍：《现代操作系统》
