概览

临界区临界区的引入
在系统当中，有些资源允许多个进程共享（磁盘），有些资源只允许进程单独使用（打印机，共享变量）。为了让进程单独使用资源而不受其他进程干扰引入了临界区的概念。
临界区的概念
在一段时间内只允许一个时间段使用的资源成为临界资源，每个进程访问资源的那段程序称为临界区。

如图进程访问临界区的一般结构
1.进入区：检查临界资源是否已经被访问，如果临界资源已经
被访问，该进程不能进入。
2.临界区:在临界区做操作
3.退出区:清除临界区被占用的标志
4.剩余区：进程与临界区不相关部分的代码
举个例子

用Bernstein条件考察以上两个进程。
P1的读集和写集分别是R(P1 ) =(R1，COUNT) 、W(P1) =(R1，COUNT) ； P2 的读集和写集为R(P2)=(R2,count),W(P2) =(R2，COUNT), 而R(P1)交W（P2）不等于空集，所以P1,P2不能并发执行，不符合Bernstein条件， 因此， 必须对进程P1， 和P2， 的执行施加某种限制，否则P1，和P2，将无法并发执行。也就是说，P1，和P2，两个进程在执行时必须等一个进程执行完毕， 另一个进程才可以执行。在这里， 变量COUNT是一个临界资源， P1和P2的两个程序段是临界区。

• 临界区的进出原则
  空闲让进：没有进程进去临界区，临界资源处于空闲，则允许进程进入。
  忙则等待：已有进程进入临界区时，临界资源已被访问，其他进程进入必须等待。也就是说，没有两个进程能同时在临界区执行。
  有限等待：对于请求访问临界资源的进程，应保证有效的时间内允许进程，避免“死等”，产生饥饿。
  让权等待：当进程不能进入临界区时，应立即释放处理机，米面其他进程“忙等”

进程的同步与互斥的概念

• 同步

进程同步是指多个进程中发生的事件存在某种时序关系，必须协同动作共同完成一个任务。简单来讲同步是一种协作关系。
举几个例子：
当两个进程运行时，进程A需要获取进程B此时运行到某一步的运行结果或者信息，才能进行自己的下一步工作，这个时候就得等待进程B与自己通信（发送某一个消息或信号），进程A再继续执行。这种进程之间相互等待对方发送消息或信号的协作就叫做进程同步。或者工厂的流水线，每道工序都有自己特定的任务，前一道工序没有完成或不合格后一道工序就不能进行。再或者ABC三个进程分别负责输入、处理、输出数据，A必须先执行，B次之，最后C。

• 互斥

多个进程在运行过程中，都需要某一个资源时，它们便产生了竞争关系，它们可能竞争某一块内存空间，也可能竞争某一个IO设备。当一方获取资源时，其他进程只能在该进程释放资源之后 才能去访问该资源，这就是进程互斥。简单来说，互斥是一种竞争关系。
举例：假如多个进程同时申请一台打印机，而先申请打印机的一方先使用打印机，当它用完时在给其他进程使用。在一个进程使用打印机期间，其他进程对打印机的使用申请不予满足，这些进程必须等待。解决方法

• 进程同步与互斥的软件实现方法
  （1）单标志法：两个进程在访问完临界区后会把使用的权限转交给另一个进程，也就是说每个进程进入临界区的权限只能被另一个临界区赋予。

如图，turn作为标识，turn=0时，执行P0，P1什么也不做。P0执行完后turn=1，则执行P1，P0不执行。
缺点：不能保证空闲让进。拿澡堂洗澡举例，P0进入卫生间洗澡当洗完时，P1并不知道P0洗完了，这就造成资源极大浪费。
（2）双标志先检查法：设置一个布尔型数组flag[]，数组中各个元素用来标记各进程想进入临界区的意愿，比如“flag[0] = true”意味着0号进程P0现在想要进入临界区。
如图：

假设初始时，flag【0】为true，则说明P0进入临界区，此时P1接受到消息P0进入临界区了就什么也不做。P0执行完后，进程p1访问，进入临界区前也传达信息p1进入临界区。
洗澡的例子：若P0洗澡，则对外开一个指示灯，表示此卫生间有人，则需等待指示灯灭时方可进入。解决了空闲让进的问题，避免资源浪费。
缺点：假设初始flag都为false，则两个进程同时进入临界区，不符合忙则等待条件。
（3）双标志先修改后检查法：双标志先检查法得改版，前一个算法的问题是先检查后上锁，但是这两个操作又无法一气呵成，因此导致了两个进程同时进入临界区的问题。因此，人们又想到了先“上锁”，后检查的方法，来避免上述问题。但有可能导致两个进程都无法进入临界区的问题。
如图：

例子：这就相当于提前声明。p0说我先洗，p1让给p0，等p0执行完后在执行p1.但若是两个都过分谦让，哈哈，两个人就都没有进，资源就会被浪费。

（4）Peterson算法（先修改，后检查，后修改者等待算法）：双标志后检查法中，两个进程都争着想进入临界区，但是谁也不让谁，最后谁都无法进入临界区。Peterson想到了一种方法，如果双方都争着想进入临界区，那可以让进程尝试“孔融让梨”，主动让对方先使用临界区。
结合算法（1）和算法（3）的概念， 标志flag[0] 为true表示进程P。想进入临界区， 标志turn表示要在进人区等待进程标识。在进入区先修改后检查， 通过修改同一标志turn来描述标志修改的先后； 检查对方标志flag， 如果对方不想进人， 自己再进人。如果对方想进人， 则检查标志turn， 由于turn中保存的是较晚的一次赋值， 因此较晚修改标志的进程等待， 较早修改标志的进程进入临界区，如图3-8所示。

信号量和PV操作
1.定义和执行过程
荷兰计算机科学家Dijkstra于1965年提出了解决进程同步与互斥问题的信号量机制，收到了很好的效果，被一直沿用至今，广泛应用与单处理机和多处理机系统以及计算机网络中。信号量机制就是说两个或者多个进程通过他们都可以利用的一个或多个信号来实现准确无误不冲突的并发执行。如果临界资源不够，就会有一个信号表示出来，如果进程此时想访问，那么就会阻塞到一个队列中，等待调度。当临界资源使用完毕，一个进程改变信号，并及时唤醒阻塞的进程，这就实现了进程间的同步和互斥问题。
信号量分为整型信号量，记录型信号量，AND信号量以及信号量集。最初的信号量就是整型信号量，定义信号量为一个整型变量，仅能通过两个原子操作P,V来访问，所谓原子操作就是指一组相联的操作要么不间断地执行，要么不执行。这两个操作又称为wait和signal操作或者down和up操作。之所以叫P,V操作是因为Dijkstra是荷兰人，P指的是荷兰语中的“proberen”，意为“测试”，而V指的是荷兰语中的“verhogen”，意为“增加”。
Dijkstra最初定义的信号量包括一个整型值S和一个等待队列S.queue,信号量只能通过两个原语P、V操作来访问它，信号量的定义如下：

srtuct semaphore{
int value;
struct PCB *queue;
}

P原语执行的操作：

void wait(semaphore s)
{s.value=s.value-1;if(s.value<0)block(s.queue);
}
/*过程说明
*首先将S.value减1，表示该进程需要一个临界资源，如果S.value<0，那么说明原来的S.value <= 0，即已经没有资源可用了，于是将进程阻塞到与信号量S相关的阻塞队列中去，如果S.value<0,那么|S.value|其实就表示阻塞队列的长度，即等待使用资源的进程数量。*/

V原语执行的操作：

void signal(semaphore s)
{s.value=s.value+1;if(s.value<=0)wakeup(s.queue);
}
/*过程说明
*V操作：首先S.value加1，表示释放一个资源，如果S.value <= 0，那么说明原来的S.value < 0，阻塞队列中是由进程的，于是唤醒该队列中的一个进程。那么，为什么S.value > 0时不唤醒进程呢，很简单，因为阻塞队列中没有进程了。*/

P操作相当于“等待一个信号”，而V操作相当于“发送一个信号”，在实现同步过程中，V操作相当于发送一个信号说合作者已经完成了某项任务，在实现互斥过程中，V操作相当于发送一个信号说临界资源可用了。实际上，在实现互斥时，P,V操作相当于申请资源和释放资源。
2.用信号量解决同步与互斥
用信号量解决互斥问题
如果信号量的初值为1，定义mutex为互斥信号量，P1P2两进程共享变量count。那么互斥实现过程如下图。

如此，P1在执行的过程中，P2不能执行，p1p2无论按照怎样的次序进行。count值都为7.
用信号量解决同步问题
如图，有4个并发的进程，即P1P2P3P4，它们之间的关系是p1先被执行，p1执行完p2p3在执行，p2执行完后p4在执行。

同步执行过程

经典同步与互斥问题

• 死锁与饥饿
  具有等待队列的信号量的实现可能导致这样的情况：两个或多个进程无限地等待一个事件， 而该事件只能由这些等待进程之一来产生。这里的事件是signal() 操作的执行。当出现这样的状态时， 这些进程就称为死锁(deadlocked) 。
  举例：

如图，假设P0 执行wait(S) ， 接着P1执行wait(Q) 。当P0执行wait(Q) 时， 它必须等待，直到P1执行signal(Q).类似地， 当P1执行wait(S) ， 它必等待， 直到Po执行signal(S) 。这两个操作不能同时执行，所以P0和P1死锁。
与死锁相关的另一个问题程是无限阻塞或饥饿，即进程在信号量内无限期等待。如果对与信号量相关的链表按LIFO顺序来增加和移动进程，那么可能会发生无限期阻塞。

• AND信号量的引入
  当利用信号量解决单个资源的互斥访问后，用信号量解决就显得十分有效。但是对于多个资源呢？我们先简单分析一下。在有些应用中，一个进程需要先获得两个或更多共享资源后方能执行其任务。假如有两
  个进程P1和P 2， 它们要共享两个全局变量R1和R2， 为此要设置两个互斥信号量mutex1和mutex2， 并令它们的初值为1； 相应地， 两个进程都要包含对信号量mutex1和mutex2的操作，假如操作如下。

如果进程P1和P2，交替地执行P操作，则具体情况如下。
(1) 进程P1执行P(mutex1) ， 于是mutex1=0。
(2) 进程P2执行P(mutex2 ) ， 于是mutex 2=0。
(3) 进程P1 执行P(mutex 2) ， 于是mutex 2=-1， 进程P1 阻塞。
(4) 进程P2 执行P(mutex 1) ， 于是mutex1=-1， 进程P2 阻塞。
此时，两个进程处于僵持状态，产生死锁现象。
AND信号量同步机制就是要解决上述问题， 其基本思想是将进程在整个运行期间所需要的所有临界资源一次性全部分配给进程，待该进程使用完后再一起释放。只要尚有一个资源不能满足进程的要求，其他所有能分配给该进程的资源也都不予以分配，为此在P操作上增加一个AND条件， 故称为AND信号量。P操作的原语为S wait， V操作的原语为S signal。在S wait中， 各个信号量的次序并不重要， 尽管会影响进程进入哪个等待队列。由于S wait实施对资源的全部分配，进程获得全部资源并执行之后再释放全部资源，因此避免了前文所述的僵持状态。如图是S wait和S signal的伪代码。

• 生产者与消费者问题
  1.问描述题
  生产者消费者问题是指有两组进程共享一个环形的缓冲池。一组进程为生产者，一组进程为消费者。缓冲池由若干个大小相等的缓冲区组成。 生产者将产品放入缓冲池，消费者从缓冲池取出产品。
  如图为环形缓冲池：

同步过程：当缓冲池满时，生产者进程必须停止生产唤醒消费者进程，同样，缓冲池空闲时，消费者必须唤醒生产者。
互斥过程：显然缓冲池是一个临界资源，生产者或消费者只能单独使用它。
2.生产者与消费者伪代码：

从中可以看到生产者和消费者之间分别都有两对PV操作，且都是成对出现。一对属于互斥信号量，用于实现对临界资源的互斥访问。另一对是资源信号量，用于实现同步过程，即缓冲池满时，通过消费者唤醒生产者阻塞的进程。（注意生产者消费者过程中empty和full的位置）。
AND信号量解决生产者与消费者问题

如图，程序中用S wait(empty， mutex) 代替了P(empty) 和P(mutex) ， 用S signal(mutex， full) 代替了V(mutex) 和V(full) ， 用S wait(full， mutex) 代替了P(full) 和P(mutex) ， 用S signal(mutex， empty) 代替了V(mutex) 和V(empty) ； 对信号量的操作同时进行， 避免了死锁。

• 读者写者问题
  1.问题描述
  一个数据库可以为多个并发进程所共享。其中，有的进程可能只需要读数据库，而其他进程可能要更新(即读和写)数据库。为了区分这两种类型的进程，将前者称为读者，而将后者称为写者。显然，如果两个读者同时访问共享数据，那么不会产生什么不利的结果。然而，如果一个写者和其他线程(既不是读者也不是写者)同时访问共享对象，很可能混乱。为了确保不会产生这样的困难，要求写者对共享数据库有排他的访问。这一同步问题
  称为读者-写者问题。
  在读者一写者问题中，任何时刻要求“写者”最多只允许有一个，而“读者”则允许有多个。因为多个“读者”的行为互不干扰，它们只是读数据，而不会改变数据对象的内容。而“写者”则不同，它们要改变数据对象的内容，如果它们同时操作，则数据对象的内容将会变得不可知。所以，对共享资源的读写操作的限制条件如下所述。
  (1)允许任意多读进程同时读。
  (2)一次只允许一个写进程进行写操作。
  (3)如果有一个写进程正在进行写操作，禁止任何读进程进行读操作。
  2.信号量解决读写者问题
  为了解决该问题，只需解决“写者与写者”和“写者与第一个读者”的互斥问题即可，为此引入一个互斥信号量W mutex。为了记录谁是第一个读者， 可以用一个全局整型变量Rcount做一个计数器。而在解决问题的过程中， 由于使用了全局变量Rcount， 该变量又是一个临界资源， 对于它的访问仍需要互斥进行， 所以需要一个互斥信号量R mutex。如图：

3.其他情况（优先权问题）
对于读者一写者问题，有以下3种优先策略。
(1)读者优先。即当读者进行读时，后续的写者必须等待，直到所有读者均离开后，写者才可以进入。前面的程序隐含使用了该策略。
(2)写者优先。即当一个写者到来时，只有那些已经获得授权允许读的进程才被允许完成它们的操作，写者之后到来的新读者将被推迟，直到写者完成。在该策略中，如果有一个不可中断的连续的写者，读者进程会被无限期地推迟。
(3) 公平策略。以上两种策略， 读者或写者进程中一个对另一个有绝对的优先权， Hoare提出了一种更公平的策略，由如下规定定义。
①规则1：在一个读序列中，如果有写者在等待，那么就不允许新来的读者开始执行。
②规则2：在一个写操作结束时，所有等待的读者应该比下一个写者有更高的优先权。

• 哲学家进餐问题
  1.问题描述
  哲学家进餐问题是一个典型的同步问题， 它由Dijkstra提出并解决。有5个哲学家， 他们的生活方式是交替思考和进餐。哲学家们共用一张圆桌，围绕圆桌而坐，在圆桌上有5个碗和5支筷子，平时哲学家进行思考，饥饿时拿起其左、右两支筷子，试图进餐，进餐完毕又进行思考。这里的问题是哲学家只有拿到靠近他的两支筷子才能进餐，而拿到两支筷子的条件是他的左、右邻居此时都没有进餐。

2.用信号量解决哲学家进餐问题

在以上描述中，虽然解决了两个相邻的哲学家不会同时进餐的问题，但是有一个严重的问题，如果所有哲学家总是先拿左边的筷子，再拿右边的筷子，那么就有可能出现这样的情况，就是5个哲学家都拿起了左边的筷子，当他们想拿右边的筷子时，却因为筷子已被别的哲学家拿去，而无法拿到。此时所有哲学家都不能进餐，这就出现了死锁现象。
3.AND信号量解决哲学家进餐问题

筷子作为临界资源，每个哲学家需要拿到两个筷子才可以进餐，避免了死锁现象。