《现代操作系统》——第6章 同步互斥机制（二）、进程间通信机制
- 管程 —— 管理共享资源的机制，例如pthread中的Pthread_cond_init()、Pthread_cond_wait()、Pthread_cond_signal()等这样一套同步机制，以及Pthread_mutex_init()...等这样一套互斥机制
- 定义：管程是一个特殊模块，有一个名字，是由关于共享资源的数据结构及在其上操作的一组过程组成。
- 产生背景：由于信号量机制的不足——程序编写困难、易出错，因此在程序设计语言中引入一种高级同步机制，即管程。
- 进程与管程：进程只能通过调用管程中的过程来间接地访问管程中的数据结构。（这点有点像C++类中定义的私有数据只能通过类中的函数来操作）
- 管程要解决的问题：
- 互斥：保证管程中数据结构的数据完整性。管程是互斥进入的，其互斥性由编译器负责保证
- 同步：管程中设置条件变量及等待/唤醒操作以解决同步问题。可以让一个进程或线程在条件变量上等待（此时应先释放管程的使用权），也可以通过发送信号将等待在条件变量上的进程或线程唤醒。
- 管程应用过程中存在的问题及解决方案：
- 问题：是否会出现多个进程同时出现在管程中？
- 场景：
- 当一个进入管程的进程执行等待操作时，他应当释放管程的互斥权
- 当后面进入管程的进程P发现Q等待的条件满足并执行唤醒Q的操作时，管程中便同时存在两个处于活动状态的进程
- 解决方案：
- P等待Q执行——Hoare
- Q等待P继续执行——MESA
- 规定唤醒操作为管程中最后一个可执行的操作——Hansen，并发Pascal
- Hoare管程：
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Hoare管程说明：
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因为管程是互斥进入的，所以当一个进程试图进入一个已被占用的管程时，应当在管程的入口处等待。为此，管程的入口处设置一个进程等待队列，称作入口等待队列
- 如果进程P唤醒进程Q，则P等待Q执行；如果进程Q执行中又唤醒了进程R，则Q等待R执行；...，如此，在管程内部可能出现多个等待进程，因此在Hoare管程机制在管程内设置一个进程等待队列，称为紧急等待队列，紧急等待队列的优先级高于入口等待队列的优先级。
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- Hoare管程——条件变量的实现
- 条件变量：在管程内部说明和使用的一种特殊类型的变量。对于条件变量，可以执行wait和signal操作。
- wait(c)：如果紧急等待队列非空，则唤醒第一个等待者；否则释放管程的互斥权，执行此操作的进程进入c链的末尾（这里c是一个条件变量condition，c链指的是条件变量的等待队列）。注意这里先检查紧急等待队列是否有等待的进程，因为紧急等待队列中的进程是signal别的进程而自己主动让位的进程，因此具有优先权，其优先权高于入口等待队列的进程。当然，如果紧急等待队列中没有等待进程，释放管程的互斥权后，入口等待队列中的第一个会获得该管程的互斥权（使用权）。
- signal(c)：如果c链为空，则相当于空操作，执行此操作的进程继续执行；否则唤醒c链上第一个等待着，执行此操作的进程进入紧急等待队列的末尾。
- 管程的应用：
- 管程的实现方式：
- 直接构造：效率高
- 间接构造：用某种已实现的同步机制构造管程，如用信号量及PV操作
- 管程的实现和使用方式——以生产者消费者问题为例：
- 说明：这里实现管程的思路和信号量及PV操作类似，但具体实现根据不同的机制有所差别（比如按HOARE和MESA机制对wait和signal的内部实现肯定不同）。这里体现了使用管程相比于直接用信号量及PV操作的好处：（1）用户只需要使用insert和remove这样的操作即可，非常方便；（2）不用将复杂的进程同步语句写在应用代码里，逻辑清晰，代码简洁。
- 管程的实现方式：
- MESA管程：
- 产生背景：HOARE管程存在一个缺点——两次额外的进程切换———P唤醒Q，Q执行完再唤醒P。
- 解决：signal->notify。notify：当一个正在管程中的进程执行Notify(x)时，它使得x条件队列得到通知，发信号的进程继续执行
- MESA管程的缺点：
- Notify的结果：位于条件队列头的进程不是立即执行，而是在将来合适的时候且当处理器可用时才能恢复执行
- 由于不能保证在它之前没有其他进程进入管程而改变了条件，因此这个进程必须重新检查条件——用while循环代替if语句对条件进行检查
- 因此导致对条件变量至少多一次额外的检测，并且对等待进程在notify之后何时运行没有任何限制
- MESA管程机制解决生产者消费者问题时的管程实现：
- 说明：采用MESA管程机制的时候，对条件的判断必须用while而不能用if，在POSIX的pthread库中，管程的实现也是采用了MESA机制，后面将会看到
- 对Notify的改进：
- 给每个条件原语关联一个监视计时器，不论是否被通知，一个等待超时的进程将被设为就绪态，防止当某些进程在产生相关条件的信号之前失败时，等待该条件的进程被无限期地推迟而饿死
- 当等待超时而被设为就绪态的进程被调度时，会再次检查相关条件，如果条件满足则执行。
- BroadCast的引入：使所有等待在该条件上的进程都被释放并进入就绪队列。当一个进程不知道有多少进程将被激活时，这种方式非常方便（例如生产者不知道生产出的产品能满足多少个消费者时），当一个进程难以准确判断该激活哪个进程时，也可以使用广播BroadCast。
- HOARE管程与MESA管程的比较：
- MESA管程比HOARE管程出错少
- 在MESA管程中，由于每个进程在收到信号后都重新检查管程变量，并且由于使用了while结构，一个进程不正确的broadcast广播或发信号Notify，不会导致收到信号的程序出错
- pthread中的同步互斥机制：
- pthread解决生产者消费者问题：
- 说明：
- 这里为什么在wait之前上锁？——防止wait操作在完成将线程加入条件变量等待队列之前，切换到另一个进程并加入到该条件的等待队列，这样就会产生顺序错误，破坏了条件变量的等待队列。（APUE上说是为了保护条件变量，因为后面对buffer的修改代码属于临界区）
- 注意这里使用了while循环判断条件，这是因为pthread管程用的是MESA机制
- 关于wait操作：wait的执行分为3步：（1）释放锁；（2）进入条件变量的等待队列；（3）当收到signal或broadcast时获取锁
- 进程间通信——IPC
- 有了信号量和管程，为什么还需要其他通信机制？
- 信号量和管程的不足：二者只能传递简单消息，无法传递大量数据；
- 管程不使用与多处理器情况
- 基本通信机制：
- 消息传递
- 共享内存
- 管道
- 套接字
- 远程过程调用
- 典型操作系统的进程同步/通信机制：
- 原子操作简介：
- 不可分割，在执行完之前不会被其他任务或事件中断
- 常用与实现资源的引用计数
- 屏障：
- 一种同步机制（又称栅栏、关卡）
- 用于对一组线程进行协调
- 应用场景：一组线程协同完成一项任务，需要所有线程到达一个汇合点后再一起向前推进
- 有了信号量和管程，为什么还需要其他通信机制？
