Mutex, Semaphore and Monitor （1）
虽然此前在多个项目中做过多线程方面的工作，但是对于Mutex（互斥锁）、Semaphore（信号量）以及Monitor（监视器／管程）的理解不是很透彻。在看了一些资料，做了些验证之后，总算有了些初步的认识。把这些认识放在这里，供大家参考，有错误还请指正！
首先谈一下Mutex，这应该是在初学多线程开发时碰到最多也是最基本的同步方式。在Java中，当我们想对多线程共享的数据进行读写操作的时候，为了线程安全，我们一般都会在涉及该共享数据的读写方法上加上synchronized关键字，或者使用直接Lock对象。这样，只有首先进入synchronized或者Lock保护的代码块的线程，也就是获得了该对象锁的线程能够执行，其余试图执行该代码块的线程都会进入阻塞状态（JVM可能会有做一些SpinLock的优化，这里不考虑），直到获得锁的线程离开该代码块，释放锁。这就是Mutex在Java中的体现形式。而在C语言标准中，对于多线程编程来说，并没有提供原生的Mutex机制，但可以使用pthread库来完成，原理上来说应该是一样的。
再来说说Semaphore。在大学的基础操作系统课中，讲到进程同步，Semaphore是无法绕过的一节。在我用的教材里，进程同步的三个经典问题：生产者与消费者问题、哲学家进餐问题、读者与写者问题，都是用Semaphore解决的，反倒Monitor是一页带过，跟我实际的项目经验恰恰相反。那么什么是Semaphore呢？其实Semaphore就是一个共享的计数器，在这个计数器上定义了两种操作：
- P操作。它是一个原子操作，等待直到这个计数器的值大于0，将其减1。
- V操作。它同样是一个原子操作，它直接将计数器的值加1。
从它的定义可以看出，如果我们用计数器来表示可用资源的数目，那么它很适合对一组资源进行同步控制，比如经典的生产者消费者问题。而且，如果Semaphore如果是一个二元Semaphore（通常你可以设置计数器初值为1），那么它就是一个Mutex。
下面我们以生产者消费者问题为例来理解下Semaphore的原理和使用方式。先描述下生产者消费者问题：生产者往缓冲区放一个物品，如果满了就等待；消费者从同一缓冲区取一个物品，如果空了就等待。
Semaphore empty = N;
Semaphore full = 0;
Semaphore mutex = 1;
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Producer() {
int item; while (1) { item = Bake(); P(empty); P(mutex); Insert(item); V(mutex); V(full); } } |
Consumer() {
int item; while (1) { P(full); P(mutex); item = Delete(); V(mutex); V(empty); Eat(item); } } |
在这个问题中我们使用了3个信号量。首先要理解，缓冲区的空和满都是共享资源，因而设置了empty和full这两个信号量。empty初始值为N，full初始值为0。生产者每次会把empty减1，对应的把full加1；而消费者刚好相反。比较易忽略的是mutex信号量，它是一个2元信号量，其实也就是一个mutex锁，它的作用是保证缓冲区的读写进（线）程安全。这是什么意思呢？比如说有多个Producer，如果没有P(mutex)的保护，它们可能会同时执行Insert(item)。这会造成一个问题，比如缓冲区是一个数组的话，那么Insert的实现方式可能就是，找到一个合适的位置i，执行buffer[i] = item，如果两个Producer找到的是同一个i，那么有一个Producer的Item就被覆盖了，所以需要通过mutex保证缓冲区的读写安全性。
由此看来，信号量似乎很好地解决了同步问题了。但是，虽然对于消费者／生产者这种简单的模型，信号量似乎已经足够方便了，但是当问题变得稍微复杂一点，你会发现信号量就比较麻烦了。记得，我在学操作系统课，使用信号量解决读者／写者问题时，就已经有点糊涂了。你会发现，对于一个看似简单的问题，会搞出许多信号量来，而且其PV操作并不是成对的。信号量好像一个只能容纳有限人数的黑屋子，放了指定人数的人进去后，就关上门，什么也不管了。事情还是能做，但就是麻烦，且容易出错。说到底，还是因为信号量对于线程间的通知机制的描述不够。
不过还好有Monitor。在谈Monitor之前，需要先了解下条件变量（CV，Condition Variable），因为Monitor是基于CV的。先来介绍CV的定义：
一个条件变量是指这样一种条件：一个线程能够在改条件上等待，直到满足该条件；当条件满足时能够唤醒等待在该条件上的其他线程。
在条件变量上定义了3种操作：
- Wait() -- 阻塞调用线程直到有其他线程调用Signal或者Broadcast去唤醒它；
- Signal() -- 唤醒在该CV上等待的一个线程；
- Broadcast() -- 唤醒在该CV上等待的所有线程；
如果要在C中使用条件变量，可以使用pthread中的类型pthread_cond_t，其接口如下所示：
pthread_cond_init() -- 初始化一个条件变量；
pthread_cond_wait(&theCV, &someMutex) -- 在init产生的CV上等待；
pthread_cond_signal(&theCV) -- 唤醒在CV上等待的某个线程；
pthread_cond_broadcast(&theCV) --唤醒在CV上等待的所有线程；
可以看到，使用CV时，需要与一个mutex配合使用，而且每个CV的操作，都需要在获得该mutex互斥锁的情况下进行。我们来看下条件变量的一个应用例子：
这个代码的意思是，A一直处于等待状态，直到B将Counter增为10时，唤醒A。如果不使用mutex（图中的myLock），对于A来说，可能会出现B已经将counter增为10，而A仍然认为counter小于10的情况，进而进入等待状态，背离了代码的本意。而且，会使得线程B的自增操作不是原子操作，导致出现一系列的问题，因此这个mutex是必须的。当然，这只是一个例子，不过，从更广泛的范围看，这个mutex都是不可或缺的。这也是pthread的接口，在调用wait时有个mutex参数的原因。
我们再来看看，在进行CV操作的时候，其内部都发生了哪些事情，我们还是以上面那段代码为例，通过描述其具体过程，来了解CV操作。
① 假设A执行pthread_mutex_lock，拿到了锁，B进入阻塞状态。然后由于此时counter<10成立，A执行pthread_cond_wait，这会导致两个结果：一是A会在CV上等待，二是A会释放锁。
② B由阻塞变为可执行状态，执行pthread_mutex_lock获得锁，将counter自增为1，由于counter >=10不成立，因此执行pthread_mutex_unlock释放锁。
③ B循环执行，重新获得锁，自增，释放锁，直到counter == 10，执行pthread_cond_signal 唤醒线程A。这里需要注意的是，signal并不会释放锁，而 wait需要重新拿回锁才能返回，因而只有当B执行pthread_mutex_unlock后，A才有可能（因为B在循环执行，他可能会继续拿到锁）拿到锁，恢复执行。
所以CV的要点有三个：
- 所有CV操作需要在拿到互斥锁的情况下执行；
- 执行wait会等待并释放锁，直到有其他线程唤醒它，且它能重新拿到锁，才能恢复执行；
- 执行signal或者broadcast会唤醒线程，但并不会释放锁。
那么CV和Monitor又有什么关系呢？我会在下一篇予以详细描述。
