同步

同步的概念

• 协调多线程对共享数据的访问

• 任何时刻只能有一个线程执行临界区代码

信号量

是操作系统提供的一种协调共享资源访问的方法。

• OS是管理者，地位高于进程
• 用信号量表示系统资源的数量

信号是一种抽象数据类型

• 由一个整形(sem)变量和两个原子操作组成
• P操作：
  a. sem减1；
  b. 如sem<0,进入等待，否则继续
• V操作：
  a. sem加1；
  b. 若sem <=0,唤醒一个等待进程

信号量的特性：

• 信号量是被保护的整数变量
  a. 初始化完成后，只能通过P和V操作修改
  b. 由操作系统保证PV为原子操作
• P可能被阻塞，V不会被阻塞
• 通常信号量是”公平的“
  a. 线程不会被无限期阻塞在P操作
  b. 假定信号量等待按队列顺序

信号量的实现：

class Semaphore{
    int sem;
    WaitQueue q;
}

Semaphore::P(){
    sem --;
    if(sem < 0){
        Add this thread t to q;
        block(t);
    }
}

Semaphore::V(){
    sem ++;
    if(sem <= 0){
        Remove a thread t from q;
        wakeup(t);
    }
}

信号量的分类：

• 二进制信号量：资源数目为0或1
• 资源信号量：资源数目为任何非负数

信号量的使用：

• 互斥访问：临界区的互斥访问控制

每类资源设置为一个信号量，其初始值为1
mutex = new Semaphore();

mutex->P();
Critical Section;
mutex->V();
必须成对使用PV操作
P操作保证互斥访问临界资源
V操作保证使用后释放临界资源
PV操作不能次序错误，重复或遗漏

• 条件同步：线程间的事件等待

条件同步设置一个信号量，其初始值为0
conditon = new Semaphore(0);

假设线程A和B同时在执行，若要满足A在执行N操作前，线程B必须要完成X操作
线程A

....M....
conditon->P();
....N....


线程B

....X....
conditon->V();
....Y....

如上，若线程A先于线程B执行，那么执行到P操作，会被阻塞，直到线程B
完成X操作，执行V，信号量为1，这时A才可以继续执行下去。

管程

• 管程是一种用于多线程互斥访问共享资源的程序结构
  a. 采用面向对象方法，简化了线程间的同步控制。
  b. 任一时刻最多只有一个线程执行管程代码。
  c. 正在管程中的线程可临时放弃管理的互斥访问，等待事件出现时恢复

• 管程的使用
  a. 在对象/模块中，收集相关共享数据
  b. 定义访问共享数据的方法

• 管程的组成
  a. 一个锁：控制管理代码的互斥访问
  b. 0或多个条件变量：管理共享数据的并发访问

管程

条件变量

• 条件变量是管程内的等待机制
  a. 进入管程的线程因资源被占用而进入等待状态
  b. 每个条件变量表示一种等待原因，对应一个等待队列
• Wait操作
  a. 将自己阻塞在等待队列中
  b. 唤醒一个等待者或释放管程的互斥访问
• Signal操作
  a. 将等待队列中的一个线程唤醒
  b. 如果等到队列为空，则等同空操作

条件变量的实现：

Class Condition{
    int numWaiting = 0;
    WaitQueue q;
}

Condition::Wait(lock){
    numWaiting ++;
    Add this thread t to q;
    release(lock);
    schedule();
    require(lock);
}

Condition::Signal(){
    if(numWaiting > 0){
        Remove a thread t from q;
        wakeup(t);
        numWaiting --;
    }
}