操作系统导论-研读笔记
第1部分 虚拟化
第2部分 并发
第26章 并发：介绍
线程和进程的区别
- 本质区别：进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位，线程是处理器任务调度和执行的基本单位。
- 资源开销：每个进程都有独立的地址空间，彼此隔离，进程之间的切换会有较大的开销；线程可以看做轻量级的进程，同一个进程内的线程共享进程的地址空间，每个线程都有自己独立的运行栈和程序计数器，线程之间切换的开销小。
- 包含关系：一个进程至少有一个线程，线程是进程的一部分，所以线程也被称为轻权进程或者轻量级进程。
- 影响关系：一个进程崩溃后，在保护模式下其他进程不会被影响，但是一个线程崩溃可能导致整个进程被操作系统杀掉，所以多进程要比多线程健壮。
临界区、竞态条件、不确定性、互斥执行
- 临界区（ critical section）是访问共享资源的一段代码，资源通常是一个变量或数据结构。
- 竞态条件（ race condition）出现在多个执行线程大致同时进入临界区时，它们都试图更新共享的数据结构，导致了令人惊讶的（也许是不希望的）结果。
- 不确定性（ indeterminate）程序由一个或多个竞态条件组成，程序的输出因运行而异，具体取决于哪些线程在何时运行。这导致结果不是确定的（ deterministic），而我们通常期望计算机系统给出确定的结果。
- 为了避免这些问题，线程应该使用某种互斥（ mutual exclusion）原语。这样做可以保证只有一个线程进入临界区，从而避免出现竞态，并产生确定的程序输出
第28章 锁
锁的作用
锁为程序员提供了最小程度的调度控制。我们把线程视为程序员创建的实体，但是被操作系统调度，具体方式由操作系统选择。锁让程序员获得一些控制权。通过给临界区加锁，可以保证临界区内只有一个线程活跃。锁将原本由操作系统调度的混乱状态变得更为可控。
锁的评价标准
- 第一是锁是否能完成它的基本任务，即提供互斥（mutual exclusion）。最基本的，锁是否有效，能够阻止多个线程进入临界区；
- 第二是公平性（fairness）。当锁可用时，是否每一个竞争线程有公平的机会抢到锁？用另一个方式来看这个问题是检查更极端的情况：是否有竞争锁的线程会饿死（starve），一直无法获得锁？
- 最后是性能（performance），具体来说，是使用锁之后增加的时间开销。有几种场景需要考虑。一种是没有竞争的情况，即只有一个线程抢锁、释放锁的开支如何？另外一种是一个 CPU 上多个线程竞争，性能如何？最后一种是多个 CPU、多个线程竞争时的性能。
硬件对锁的支持
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测试并设置指令（test-and-set instruction）， 也叫作原子交换（atomic exchange）
伪代码如下：
利用这种指令实现的一种自旋锁（spin lock）如下：
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比较并交换指令（compare-and-swap）
伪代码如下：
利用这种指令实现自旋锁只需要将lock()函数替换为以下：
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链接的加载（load-linked）和条件式存储指令（store-conditional）
链接的加载指令和典型加载指令类似，都是从内存中取出值存入一个寄存器。关键区别来自条件式存储（store-conditional）指令，只有上一次加载的地址在期间都没有更新时，才会成功，（同时更新刚才链接的加载的地址的值）。成功时，条件存储返回 1，并将 ptr 指的值更新为 value。失败时，返回 0，并且不会更新值。
伪代码如下：
利用这种指令实现的自旋锁如下：
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获取并增加（ fetch-and-add）指令
伪代码如下：
利用这种指令实现的ticket锁如下：
提高锁的性能
问题：如果临界区的线程发生上下文切换而不能完成，其他线程只能一直自旋，等待被中断的（持有锁的）进程重新运行
- 在要自旋的时候放弃CPU
使用操作系统提供的yield()调用让线程中运行态变为就绪态，从而允许其他线程运行，避免继续自旋浪费时间片 - 使用队列：休眠替代自旋
核心思想是在lock()函数中发现锁被其他线程占用时，将自己的threadID添加到一个队列，并利用park()系统调用让自己休眠；在unlock()函数中根据队列的threadID利用unpark()系统调用去唤醒对应的线程
第29章 基于锁的并发数据结构
- 并发计数器
- 并发链表
- 并发队列
- 并发散列表
第30章 条件变量
关键问题
多线程程序中，一个线程等待某些条件是很常见的，例如父线程等待子线程结束、生产者和消费者分别等待缓冲区的空和满。简单的方案是自旋直到条件满足，这是极其低效的，某些情况下甚至是错误的。那么，线程应该如何等待一个条件？
定义
线程可以使用条件变量（ condition variable），来等待一个条件变成真。条件变量是一个显式队列，当某些执行状态（即条件， condition）不满足时，线程可以把自己加入队列，等待（ waiting）该条件。另外某个线程，当它改变了上述状态时，就可以唤醒一个或者多个等待线程（通过在该条件上发信号），让它们继续执行。
条件变量的两种操作
- 条件变量有两种相关操作： wait()和 signal()。线程要睡眠的时候，调用 wait()。当线程想唤醒等待在某个条件变量上的睡眠线程时，调用 signal()。
- 调用 signal 和 wait 时要持有锁（ hold the lock when calling signal or wait）
- 多线程程序在检查条件变量时，使用 while 循环总是对的。 if 语句可能会对，这取决于发信号的语义。因此，总是使用 while，代码就会符合预期。
第31章 信号量
关键问题
如何使用信号量代替锁和条件变量？什么是信号量？什么是二值信号量？用锁和条件变量来实现信号量是否简单？不用锁和条件变量，如何实现信号量？
信号量的定义
信号量是有一个整数值的对象，可以用两个函数来操作它。在 POSIX 标准中，是sem_wait()和 sem_post()
信号量的作用
- 信号量用作锁（二值信号量）
- 信号量用作条件变量
