一、概念
在进程/线程并发执行的过程中，进程/线程之间存在协作的关系，例如有互斥、同步的关系。
1.互斥
由于多线程执行操作共享变量的这段代码可能会导致竞争状态，因此我们将此段代码称为临界区（critical section），它是访问共享资源的代码片段，一定不能给多线程同时执行。
互斥（mutualexclusion）：保证一个线程在临界区执行时，其他线程应该被阻止进入临界区。
在多进程竞争共享资源的时候，也同样是可以使用互斥的方式来避免资源竞争造成的资源混乱。
2.同步
互斥解决了并发进程/线程对临界区的使用问题。
所谓同步，就是并发进程/线程在一些关键点上可能需要互相等待与互通消息，这种相互制约的等待与互通信息称为进程/线程同步。(有一个等待唤醒的过程)
注意，同步与互斥是两种不同的概念：
- 同步就好比：「操作 A 应在操作 B 之前执行」，「操作 C 必须在操作 A 和操作 B 都完成之后才能执行」等；
- 互斥就好比：「操作 A 和操作 B 不能在同一时刻执行」；
二、互斥与同步的实现与使用
为了实现进程/线程间正确的协作，操作系统必须提供实现进程协作的措施和方法，主要的方法有两种：
- 锁：加锁、解锁操作（实现互斥）
- 信号量：P、V 操作（实现互斥、同步）
1.锁
使用加锁操作和解锁操作可以解决并发线程/进程的互斥问题。
任何想进入临界区的线程，必须先执行加锁操作。若加锁操作顺利通过，则线程可进入临界区；在完成对临界资源的访问后再执行解锁操作，以释放该临界资源。
「忙等待锁」= 自旋锁（spin lock）
当获取不到锁时，线程就会一直 while 循环，不做任何事情，所以就被称为「忙等待锁」，也被称为自旋锁（spin lock）。
这是最简单的一种锁，一直自旋，利用 CPU 周期，直到锁可用。在单处理器上，需要抢占式的调度器（即不断通过时钟中断一个线程，运行其他线程）。否则，自旋锁在单 CPU 上无法使用，因为一个自旋的线程永远不会放弃 CPU。
「无忙等待锁」
无等待锁顾明思议就是获取不到锁的时候，不用自旋。
既然不想自旋，那当没获取到锁的时候，就把当前线程放入到锁的等待队列，然后执行调度程序，把 CPU 让给其他线程执行。
2.信号量
信号量不仅可以实现临界区的互斥访问控制，还可以线程间的事件同步。
通常信号量表示资源的数量，对应的变量是一个整型（sem）变量。
另外，还有两个原子操作的系统调用函数来控制信号量的，分别是：
- P 操作：将
sem减1，相减后，如果sem < 0，则进程/线程进入阻塞等待，否则继续，表明 P 操作可能会阻塞； - V 操作：将
sem加1，相加后，如果sem <= 0，唤醒一个等待中的进程/线程，表明 V 操作不会阻塞；
信号量实现临界区的互斥访问
为每类共享资源设置一个信号量
s，其初值为1，表示该临界资源未被占用。只要把进入临界区的操作置于
P(s)和V(s)之间，即可实现进程/线程互斥：
信号量实现事件同步
同步的方式是设置一个信号量，其初值为
0。
3.生产者-消费者问题
生产者-消费者问题描述：
- 生产者在生成数据后，放在一个缓冲区中；
- 消费者从缓冲区取出数据处理；
- 任何时刻，只能有一个生产者或消费者可以访问缓冲区；
我们对问题分析可以得出：
- 任何时刻只能有一个线程操作缓冲区，说明操作缓冲区是临界代码，需要互斥；
- 缓冲区空时，消费者必须等待生产者生成数据；缓冲区满时，生产者必须等待消费者取出数据。说明生产者和消费者需要同步。
那么我们需要三个信号量，分别是：
- 互斥信号量
mutex：用于互斥访问缓冲区，初始化值为 1； - 资源信号量
fullBuffers：用于消费者询问缓冲区是否有数据，有数据则读取数据，初始化值为 0（表明缓冲区一开始为空）； - 资源信号量
emptyBuffers：用于生产者询问缓冲区是否有空位，有空位则生成数据，初始化值为 n （缓冲区大小）；
三、经典同步问题
1.哲学家就餐问题
先来看看哲学家就餐的问题描述：
5个老大哥哲学家，闲着没事做，围绕着一张圆桌吃面；- 巧就巧在，这个桌子只有
5支叉子，每两个哲学家之间放一支叉子； - 哲学家围在一起先思考，思考中途饿了就会想进餐；
- 奇葩的是，这些哲学家要两支叉子才愿意吃面，也就是需要拿到左右两边的叉子才进餐；
- 吃完后，会把两支叉子放回原处，继续思考；
那么问题来了，如何保证哲 学家们的动作有序进行，而不会出现有人永远拿不到叉子呢？
方案一：用信号量的方式，也就是 PV 操作来尝试解决
方案二：既然「方案一」会发生同时竞争左边叉子导致死锁的现象，那么我们就在拿叉子前，加个互斥信号量
方案三：即让偶数编号的哲学家「先拿左边的叉子后拿右边的叉子」，奇数编号的哲学家「先拿右边的叉子后拿左边的叉子」。
方案四：
用一个数组 state 来记录每一位哲学家的三个状态，分别是在进餐状态、思考状态、饥饿状态（正在试图拿叉子）。
那么，一个哲学家只有在两个邻居都没有进餐时，才可以进入进餐状态。
第 i 个哲学家的左邻右舍，则由宏 LEFT 和 RIGHT 定义：
- LEFT : ( i + 5 - 1 ) % 5
- RIGHT : ( i + 1 ) % 5
比如 i 为 2，则 LEFT 为 1，RIGHT 为 3。
2.读者-写者问题
著名的问题是「读者-写者」，它为数据库访问建立了一个模型。
读者只会读取数据，不会修改数据，而写者即可以读也可以修改数据。
读者-写者的问题描述：
- 「读-读」允许：同一时刻，允许多个读者同时读
- 「读-写」互斥：没有写者时读者才能读，没有读者时写者才能写
- 「写-写」互斥：没有其他写者时，写者才能写
方案一：（读者优先策略）
方案二：（写者优先策略）
方案三：（公平策略）
对比方案一的读者优先策略，可以发现，读者优先中只要后续有读者到达，读者就可以进入读者队列， 而写者必须等待，直到没有读者到达。
没有读者到达会导致读者队列为空，即 rCount==0，此时写者才可以进入临界区执行写操作。
而这里 flag 的作用就是阻止读者的这种特殊权限（特殊权限是只要读者到达，就可以进入读者队列）。
比如：开始来了一些读者读数据，它们全部进入读者队列，此时来了一个写者，执行 P(falg) 操作，使得后续到来的读者都阻塞在 flag 上，不能进入读者队列，这会使得读者队列逐渐为空，即 rCount 减为 0。
这个写者也不能立马开始写（因为此时读者队列不为空），会阻塞在信号量 wDataMutex 上，读者队列中的读者全部读取结束后，最后一个读者进程执行 V(wDataMutex)，唤醒刚才的写者，写者则继续开始进行写操作。
四、参考
小林 coding
