1 背景

同步互斥回顾:

并发问题: 竞争条件(竞态条件)

• 多程序并发存在大量问题

同步

• 多线程共享公共数据的协调执行
• 包括互斥与条件同步
• 互斥: 在同一时间只有一个线程可以执行临界区

确保线程同步

• 需要高层次的编程抽象(如: 锁)
• 从底层硬件支持编译

2 信号量

信号量是抽象数据类型

• 信号量用一个整形(sem)表示, 具有两个原子操作
• P(): sem减1, 如果sem < 0, 等待, 否则继续
• V(): sem加1, 如果sem <= 0, 唤醒一个等待的P

3 信号量使用

3.1 信号量的一些属性

• 信号量是整数(有符号)
• 信号量是被保护的变量

• 初始化完成后, 唯一改变一个信号量的值的办法是通过P()和V()
• 操作必须是原子

• P()能够阻塞, V()不会阻塞
• 我们限定信号量是"公平的"

• 没有线程被阻塞在P()仍然阻塞如果V()被无限频繁调用(在同一个信号量)
• 在实践中, FIFO(先阻塞先被唤醒)经常被使用(如果只能唤醒一个进程)(忙等的锁没有这种先等先唤醒机制)

 3.2 信号量的实现简介

信号量实现一般有两种:

• 二进制信号量: 可以是0或1
• 一般/计数信号量: 可取任何非负值
• 两者互相表现(给定一个可以实现另一个)

信号量可以用在两个方面:

• 互斥
• 条件同步(调度约束 -- 一个线程等待另一个线程的事情发生)

用二值信号量实现互斥功能:

mutex = new Semaphore(1);          //初始化一个值为1的信号量作为一个锁mutex->P();                        //信号量减1
//执行临界区代码, 此时如果有其他线程要进入临界区, 也需要mutex->P(), 也就会让信号量的值为-1,
//也就会被阻塞
mutex->V();                        //信号量加1

用二值信号量实现同步:

condition = new Semaphore(0);// Thread A
condition->P()                 //A线程等待condition->V()// Thread B
condition->V()                 //B线程唤醒, 也就是同步

用计数信号量还可以实现生产者 - 消费者问题:

有界缓冲区(buffer)的生产者 - 消费者问题, 有以下性质:

• 一个或多个生产者产生数据将数据放在一个缓冲区(buffer)里
• 单个消费者每次从缓冲区取出数据
• 在任何一个时间只有一个生产者或消费者可以访问该buffer

这个问题用互斥(锁机制)是不够的.

而且具有正确性要求:

• 在任何一个时间只能有一个线程操作buffer(互斥)
• 当buffer为空, 消费者必须等待生产者(调度/同步约束)
• 当缓存区满, 生产者必须等待消费者(调度同步约束)

根据以上要求和性质:

如果每个约束用一个单独的信号量, 有以下信号量设计:

• 二进制信号量互斥
• 一般信号量fullBuffers
• 一般信号量emptyBuffers 

代码设计:

class BoundedBuffer{mutex = new Semaphore(1);fullBuffers = new Semaphore(0);emptyBuffers = new Semaphore(n);
}BoundedBuffer::Deposit(c) {emptyBuffers->P();         //需保证buffer还有空闲, 如果无空闲, 则等待mutex->P();                //要保证对buffer的操作的互斥性Add c to the buffer;mutex->V();fullBuffers->V();          //有数据进入
}BoundedBuffer::Remove(c) {fullBuffers->P();          //需保证buffer有数据, 如果无数据, 则等待mutex->P();                //要保证对buffer的操作的互斥性Remove c from buffer;mutex->V();emptyBuffers->V();         //取出数据
}

4 信号量实现

针对信号量的P()和V()操作的实现, 需要使用硬件原语:

• 禁用中断
• 原子指令(Test - And - Set)

具体实现:

class Semaphore{int sem;WaitQueue q;
}Semaphore::P(){sem --;if (sem < 0) {Add this thread t to q;block(p);}
}Semaphore::V(){sem ++;if (sem <= 0) {Remove a thread t from q;wakeup(t);}
}

实现中需要注意的细节:

• 信号量的双用途

• 互斥和条件同步
• 但等待条件是独立的互斥

• 读/开发代码比较困难

•  程序员必须非常精通信号量

• 容易出错

• 使用的信号量已经被另一个线程占用
• 忘记释放信号量 

• 不能够处理死锁问题

5 管程

管程的目的:

分离互斥和条件同步的关注

什么是管程:

• 一个锁: 指定临界区
• 0或者多个条件变量: 等待/通知信号量用于管理并发访问的共享数据

一般方法:

• 收集在对象/模块中的相关共享数据
• 定义方法来访问共享数据

简单步骤:

1. 获取进入管程的锁从而进入管程
2. 管程中对共享资源进行操作
3. 当需要等待时候, 信号量调用wait自身睡眠并把进入管程的锁进行释放
4. 当资源得到满足, 信号量会调用signal从而唤醒正在这个信号量睡眠的线程

条件变量的实现:

class Condition{int numWaiting = 0;WaitingQueue q;
}Condition::Waiting(lock){numWaiting ++;Add this thread to q;release(lock);schedule();                    //need mutex, 选择下一个线程去执行require(lock)
}Condition::Signal(){if (numWaiting > 0) {Remove a thread t from q;wakeup(t);                      //need mutex, 把该线程置为ready状态numWaiting --;}
}

管程实现生产者 - 消费者问题:

• 需要维持每个条件队列
• 线程等待的条件等待signal()

class BoundedBuffer{Lock lock;int count = 0;Condition notFull, notEmpty;
}BoundedBffer::Deposit(c){lock->Acquire();while(count == n)notFull.Wait(&lock);Add c to the buffer;count ++;notEmpty.Signal();lock->Release();
}BoundedBuffer::Remove(c){lock->Acquire();while(count == 0)notEmpty.Wait(&lock);Remove c from buffer;count --;notFull.Signal();lock->Release();
}

6 经典同步问题

6.1 读者 - 写者问题

问题动机:

共享数据的访问

两种类型的使用者:

• 读者: 不需要修改数据
• 写者: 读取和修改数据

问题的约束:

• 允许同一时间有多个读者, 但在任何时候只有一个写者
• 当没有写者时读者才能访问数据
• 当没有读者和写者时写者才能访问数据
• 在任何时候只能有一个线程可以操作共享变量

设计思路:

• 需要有以下共享数据:

• 数据集, 也就是要进行读或者写的数据
• 信号量CountMutex初始化为1
• 信号量WriteMutex初始化为1
• 整数Rcount初始化为0(正在执行读操作的数量)

 6.1.1 读者优先

基于读者优先策略的方法: 只要有一个读者处于活动状态, 后来的读者都会被接纳. 如果读者源源不断出现的话, 那么写者就始终处于阻塞状态.

• 写操作: Writer

sem_wait(WriteMutex);        //相当于WriteMutex->P(), 保证只有一个线程在执行写操作, 以及在写操作过程中没有读操作write;sem_post(WriteMutex);        //相当于WriteMutex->V()

• 读操作: Reader

sem_wait(CountMutex);            //保证对Rcount操作的互斥性
if(Rcount == 0)sem_wait(WriteMutex);        //说明此时没有读操作, 是有可能有写操作的, 所以需要等待写操作结束
++ Rcount;
sem_post(CountMutex);read;sem_wait(CountMutex);
-- Rcount;if (Rcount == 0)sem_post(WriteMutex);sem_post(CountMutex);

6.1.2 写者优先

基于写者优先策略的方法: 一旦写者就绪, 那么写者会尽可能快地执行写操作. 如果写者源源不断地出现的话, 那么读者就始终处于阻塞状态.

需要的变量:

• AR = 0                        //active readers正在执行读操作的线程个数
• AW = 0                        //active writers正在执行写操作的线程个数
• WR = 0                        //waiting readers正在等待读操作的线程个数
• WW = 0                        //waiting writers正在等待写操作的线程个数
• Condition okToRead
• Condition okToWrite
• Lock lock

读操作:

Read(){//wait until no writersstartRead();read database;//check out - wake up waiting writers;doneRead();
}startRead(){lock.Acquire();while ((AW + WW) > 0) {                   //如果有写者, 写者优先WR ++;okToRead.wait(&lock);WR --;}AR ++;lock.release();
}doneRead(){lock.Acquire();AR --;if (WW > 0 && AR == 0) {                  //需要唤醒等待的写者okToWrite.signal();}lock.Release();
}

写操作:

Write() {//Wait until no readers/writersstartWrite();write database;//check out - wake up waiting readers/writers;doneWrite();
}startWrite(){lock.Acquire();while((AR + AW) > 0) {          //需要等待正在写或者读的操作结束后WW ++;okToWrite.wait(&lock);WW --;}lock.Release();
}doneWrite() {lock.Acquire();AW --;if (WW > 0) {okToWrite.signal();} else if (WR > 0) {okTORead.broadcast();}lock.Acquire();
}

• 6.2 哲学家就餐问题

问题描述(1965年由Di jkstra首先踢出并解决):

5个哲学家围绕一张圆桌而坐, 桌子上放着5支叉子, 每两个哲学家之间放一支; 哲学家的动作包括思考和进餐, 进餐时需要同时拿起他左边和右边的两支叉子, 思考时则同时将两支叉子放回原处. 如何保证哲学家们的动作有序进行? 如: 不会出现有人永远拿不到叉子.

共享数据:

• bowl of rice(data set)
• Semaphore fork[5] initialized to 1

思路:

• 必须有数据结构, 来描述每个哲学家的当前状态

#define N           5                //哲学家个数
#define LEFT        i                //第i个哲学家的左邻居
#define RIGHT       (i + 1) % N      //第i个哲学家的右邻居
#define THINKING    0                //思考状态
#define HUNGRY      1                //饥饿状态
#define EATING      2                //进餐状态
int state[N];                        //记录每个人的状态

• 该状态是一个临界资源, 每个哲学家对它的访问应该互斥地进行 -- 进程互斥

semaphore mutex;                     //互斥信号量, 初值1

• 一个哲学家吃饱后, 可能要唤醒它的左邻右舍, 两者之间存在着同步关系 -- 进程同步

semaphore s{N};                      //同步信号量, 初值0

• 函数philosopher定义(哲学家流程定义)

void philosopher(int i){        //i的取值: 0到N - 1, 代表着第几个哲学家while(true){                //封闭式循环think();take_forks(i);          //拿到两把叉子或被阻塞eat();put_forks(i);           //把两把叉子放回原处}
}

• 函数take_forks的定义

void take_forks(int i){                //i的取值: 0到N - 1P(mutex);                          //进入临界区state[i] = HUNGRY;test_take_left_right_forks(i);     //试图拿两把叉子V(mutex);                          //退出临界区P(s[i]);                           //没有叉子便被阻塞
}void test_take_left_right_forks(int i) {if (state[i]     == HUNGRY &&state[LEFT]  != EATING &&state[RIGHT] != EATING) {state[i] = EATING;V(s[i]);                       //通知第i个人可以拿起左右叉子吃饭了}
}

• 函数put_forks定义

//功能: 把两把叉子放回原处, 并在需要的时候,
//去唤醒左邻右舍
void put_forks(int i){P(mutex);state[i] = THINKING;                //交出两把叉子//提醒左右邻居其相邻状态有改变, 让其从阻塞态恢复, 重新执行循环检查test_take_left_right_forks(LEFT);test_take_left_right_forks(RIGHT);V(mutex);
}