并发控制：同步 (条件变量、信号量、生产者-消费者和哲♂学家吃饭问题)

哲学家吃饭问题 (E. W. Dijkstra, 1960)

哲学家 (线程) 有时思考，有时吃饭

• 吃饭需要同时得到左手和右手的叉子
• 当叉子被其他人占有时，必须等待，如何完成同步？
  • 如何用互斥锁/信号量实现？

 

失败与成功的尝试

失败的尝试

• philosopher.c (如何解决？)

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成功的尝试 (万能的方法)

mutex_lock(&mutex);
while (!(avail[lhs] && avail[rhs])) {
  wait(&cv, &mutex);
}
avail[lhs] = avail[rhs] = false;
mutex_unlock(&mutex);

mutex_lock(&mutex);
avail[lhs] = avail[rhs] = true;
broadcast(&cv);
mutex_unlock(&mutex);

忘了那些复杂的同步算法吧！

你可能会觉得，管叉子的人是性能瓶颈

• 一大桌人吃饭，每个人都叫服务员的感觉
• Premature optimization is the root of all evil (D. E. Knuth)

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抛开 workload 谈优化就是耍流氓

• 吃饭的时间通常远远大于请求服务员的时间
• 如果一个 manager 搞不定，可以分多个 (fast/slow path)
  • 把系统设计好，使集中管理不成为瓶颈
    • Millions of tiny databases (NSDI'20)

 

Conditional Variables (条件变量, CV)

把 pc.c 中的自旋变成睡眠

• 在完成操作时唤醒

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条件变量 API

• wait(cv, mutex) 💤
  • 调用时必须保证已经获得 mutex
  • 释放 mutex、进入睡眠状态
• signal/notify(cv) 💬 私信：走起
  • 如果有线程正在等待 cv，则唤醒其中一个线程
• broadcast/notifyAll(cv) 📣 所有人：走起
  • 唤醒全部正在等待 cv 的线程

 

条件变量：实现生产者-消费者

void Tproduce() {
  mutex_lock(&lk);
  if (count == n) cond_wait(&cv, &lk);
  printf("("); count++; cond_signal(&cv);
  mutex_unlock(&lk);
}

void Tconsume() {
  mutex_lock(&lk);
  if (count == 0) cond_wait(&cv, &lk);
  printf(")"); count--; cond_signal(&cv);
  mutex_unlock(&lk);
}

压力测试：pc-cv.c；模型检验：pc-cv.py

• (Small scope hypothesis)

 

条件变量：实现并行计算

struct job {
  void (*run)(void *arg);
  void *arg;
}

while (1) {
  struct job *job;

  mutex_lock(&mutex);
  while (! (job = get_job()) ) {
    wait(&cv, &mutex);
  }
  mutex_unlock(&mutex);

  job->run(job->arg); // 不需要持有锁
                      // 可以生成新的 job
                      // 注意回收分配的资源
}

 

 

99% 的实际并发问题都可以用生产者-消费者解决。

void Tproduce() { while (1) printf("("); }
void Tconsume() { while (1) printf(")"); }

在 printf 前后增加代码，使得打印的括号序列满足

• 一定是某个合法括号序列的前缀
• 括号嵌套的深度不超过 n
  • n=3, ((())())((( 合法
  • n=3, (((()))), (())) 不合法
• 同步
  • 等到有空位再打印左括号
  • 等到能配对时再打印右括号

 

 

条件变量：更古怪的习题/面试题

有三种线程，分别打印 <, >, 和 _

• 对这些线程进行同步，使得打印出的序列总是 <><_ 和 ><>_ 组合

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使用条件变量，只要回答三个问题：

• 打印 “<” 的条件？
• 打印 “>” 的条件？
• 打印 “_” 的条件？
  • fish.c

 

 

信号量

复习：互斥锁和更衣室管理

操作系统 = 更衣室管理员

• 先到的人 (线程)
  • 成功获得手环，进入游泳馆
  • *lk = 🔒，系统调用直接返回
• 后到的人 (线程)
  • 不能进入游泳馆，排队等待
  • 线程放入等待队列，执行线程切换 (yield)
• 洗完澡出来的人 (线程)
  • 交还手环给管理员；管理员把手环再交给排队的人
  • 如果等待队列不空，从等待队列中取出一个线程允许执行
  • 如果等待队列为空，*lk = ✅
• 管理员 (OS) 使用自旋锁确保自己处理手环的过程是原子的

更衣室管理

完全没有必要限制手环的数量——让更多同学可以进入更衣室

• 管理员可以持有任意数量的手环 (更衣室容量上限)
  • 先进入更衣室的同学先得到
  • 手环用完后才需要等同学出来

更衣室管理 (by E.W. Dijkstra)

做一点扩展——线程可以任意 “变出” 一个手环

• 把手环看成是令牌
• 得到令牌的可以进入执行
• 可以随时创建令牌

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“手环” = “令牌” = “一个资源” = “信号量” (semaphore)

• P(&sem) - prolaag = try + decrease; wait; down; in
  • 等待一个手环后返回
  • 如果此时管理员手上有空闲的手环，立即返回
• V(&sem) - verhoog = increase; post; up; out
  • 变出一个手环，送给管理员
• 信号量的行为建模: sem.py

信号量：实现生产者-消费者

信号量设计的重点

• 考虑 “手环” (每一单位的 “资源”) 是什么，谁创造？谁获取？
  • pc-sem.c

void producer() {
  P(&empty);   // P()返回 -> 得到手环
  printf("("); // 假设线程安全
  V(&fill);
}
void consumer() {
  P(&fill);
  printf(")");
  V(&empty);
}

• 在 “一单位资源” 明确的问题上更好用

 

 

哲学家吃饭问题

 

https://jyywiki.cn/OS/2022/slides/6.slides#/1/3

【并发控制：同步 (条件变量、信号量、生产者-消费者和哲♂学家吃饭问题) [南京大学2022操作系统-P6]】https://www.bilibili.com/video/BV17T4y1S7RS