1.并发的原理

• 多程序并发甚至并行会带来一些问题，主要是对于共享资源的访问。
• 对于临界资源的保护要实施互斥，一个资源在被使用时，其他进程或线程不能进入临界区访问临界资源。

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2. 互斥：软件或硬件支持

• 软件方法不需要程序设计语言或操作系统支持而实现，会有一定的缺陷和低效性。
• 硬件方法可以使用专用机器指令，比如compare&swap这个原子操作，或者exchange原子操作，利用程序设计实现互斥。但也有严重缺点，忙等待，可能会有饥饿或者死锁。
• 所以操作系统或者程序设计语言中提供的某些机制会更好。接下来的三种。

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3. 信号量

• 信号量：可以吧一个信号量视为一个值为整数的变量。信号初始化为非负数。semWait使信号-1，如果是负数则阻塞；semSignal原语使信号+1，如果值小于等于0，被选一个被阻塞的进程恢复。
• 二元信号量：只有1和0两种状态。非二元信号量一般也称为一般信号量或计数信号量。
• 互斥锁： 与二元信号量相似，但是强制用于互斥，所以加锁和解锁的进程必须是同一个！而二元信号量可能在一些同步问题上可以一个加锁、另一个解锁。
• 无论什么信号量，被阻塞的进程都需要排队。采用先进先出的策略的称为强信号量，可以保证不会饥饿。
• 互斥问题：一般将计数信号量初始化1，只有一个进程可以访问临界区，然后临界区的前后加上 wait 和 signal。
• 生产者消费者问题：固定量缓冲区，生产者生产一个，消费者消费一个，满了不生产，没了不消费。
  • 一共三个锁，一个锁S = 1用于缓冲区的互斥，一个锁n = 0 用于消费者消费，一个锁 e = buffersize 用于生产者生产。

  •   const int buffersize;semaphore s = 1, n = 0, e = buffersize;void producer(){while(1){semWait(e);semWait(s);produce();semSignal(s);semSignal(n);}}void consumer(){while(1){semWait(n);semWait(s);consume();semSignal(s);semSignal(e);}}
    

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4. 管程

• 完全不是Linux下的管道。
• 管程通俗点就是一个函数过程，一个软件模块。局部变量在这个软件过程中访问，但一次只有一个进程能够使用这个函数或这个模块。使用条件变量开发出这样的软件模块。
• 同样的消费者生产者问题：

  •   monitor boundedbuffer;	//定义一个管程cond notFull , notEmpty;//条件变量int count;void append(){if(count == buffersize)  cwait(notFull);append_data();csignal(notEmpty);}void take(){if(count == 0) cwait(notEmpty);take_data();csignal(notFull);}{						//管程体count = 0;}//上面就是管程，一个时间只有一个进程能进入这个函数
    

    void producer(){while(1){append();}
    }
    void consumer(){while(1){take();}
    }
    

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5. 消息传递

• 实现进程间的信息传递，为进程间同步提供帮助。
• send原语和receive原语来实现发送和接收。会有阻塞问题，一般是无阻塞发送，阻塞接收。
• 发送和接收还有寻址问题，可以直接寻址，即发送和接收直接根据进程标识号。也可以通过一个邮箱间接发送和接收，来实现一对多，多对多等服务。
• 也可以以此实现互斥。使用 阻塞receive 和 非阻塞send 来实现。

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6. 读者写者问题

• 存在一个共享数据区。任意数量的读进程可以访问；一次只有一个写进程可以写；写进程写的时候不可读。
• 逻辑1-读者优先：第一个读者的时候需要判断是不是有写者在写，如果已经有读者了，那么其他读者直接读就好。写者只需要看有没有读者。需要一个信号量s来保证 read_cnt 的互斥。

  int read_cnt = 0;
  semaphore s = 1, w = 1;
  void reader(){semWait(s);read_cnt++;if(read_cnt == 1)semWait(w);semSignal(s);READBOOK();semWait(s);read_cnt--;if(read_cnt == 0)semSignal(w);semWait(s)
  }
  void writer()
  {semWait(w);WRITEBOOK();semsignal(w);
  }
  

• 逻辑2-写者优先：上面的可能会造成写者的饥饿，只要有读者就往里冲，没写者什么份了。那么需要在如果有一个写者出现时，禁止之后的读者再进入了。

  int read_cnt = 0;
  semaphore x = 1, y = 1, z = 1, write_sem = 1, read_sem = 1;
  void reader(){semWait(z);			//z使得读者不会再read_sem这个信号上排长队，而是在z上排队。//写进程只会semSignal(read_sem) 一次，只会释放一个reader，如果有多个在read_sem上排队，会出问题。semWait(read_sem);semWait(x);				//x 保护 read_cntread_cnt++;if(read_cnt == 1)semWait(write_sem);semSignal(x);semSignal(read_sem);semSignal(z);READBOOK();semWait(x);read_cnt--;if(read_cnt == 0)semSignal(write_sem);semWait(x)
  }
  void writer()
  {semWait(y)		//y信号保护writer_cntwriter_cnt++;if(writer_cnt == 1)semWait(read_sem);semSignal(y);semWait(write_sem);WRITEBOOK();semsignal(write_sem);semWait(y)writer_cnt--;if(writer_cnt == 0)semSignal(read_sem);semSignal(y);
  }
  

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7. 小结

• 在多个进程并发执行的时候，一定会出现冲突和合作的问题。
• 互斥是说一组并发进程，一次只有一个进程能够访问特定的资源。互斥能够解决资源竞争间的冲突，也可以用于进程间的合作。
• 操作系统中提供的功能主要有信号量和消息机制。