牛奶与计算机同步

以下内容整理自课程“计算机系统概论”。

假设 A 和 B 是舍（ren）友（ji）。他们中任何一人发现冰箱里没有牛奶时，都会出门去买牛奶。

这个过程中的基本操作（atomic operation） 包括：检查冰箱里是否有牛奶（milk），买牛奶（buy）。如果用代码写，相当于 if(milk == 0) buy;。

那么存在这样的情况：A milk, B milk, A buy, B buy。

然后冰箱里的牛奶就太多了！

可能你会觉得 A 和 B 应该碰上，但这就是多线程程序执行时遇到的问题：不同线程之间的命令可能是无序的。一个正确的多线程程序必须考虑到这一点。

好吧，A 和 B 思考了一下，决定用 note 来传递信息。这时操作又多了两种：留下标签（leave），检查标签（note），删除标签（remove）。

这里的 note 在线程中称作“锁”，当然锁不只是 note，一切阻止线程做某件事的机制都叫做锁。锁会导致线程需要等到；一个重要的规律是，任何正确的同步都存在等待。

现在他们都采用这样的策略：milk, note, leave, buy, remove。或者用代码写：

if(milk == 0)
	if(note == 0)
		leave;
		buy;
		remove;

对吗？补兑！存在这样的情况：

A:  if(milk == 0)
A:  	if(note == 0)
B:	if(milk == 0)
B:		if(note == 0)
A:			leave;
A:			buy;
A:			remove;
B:			leave;
B:			buy;
B:			remove;

太糟糕了！当然，确实有限的好了一些：在某些情况下不会出错了。

如果将策略换成 leave, milk, note, buy, remove 呢？对于人可能够了，但是对计算机而言，这就是自己把自己锁上了，没救了。

那他们只好继续加机制，A 和 B 分别创建了自己的标签。现在 A 的策略是 leave-A, milk, note-B, buy, remove-A，B 的策略是 leave-B, milk, note-A, buy, remove-B。

对吗？还是补兑！看这个情况：

A:  leave-A;
B:	leave-B;
B:	if(milk == 0) // true
B:		if(note-A == 0) // false
B:			buy; // non-execution
A:	if(milk == 0) // true
A:		if(note-B == 0) // false
A:			buy;
B:  remove-B;
A:	remove-A;

买不到牛奶了！

一种可能的解法是，A 采用

leave-A;
while(note-B == 1) {
	do nothing;
	// maybe you can chat with the fridge. It's really cool!
}
if(milk == 0) 
	buy;
remove-A;

而 B 仍然采用之前的方案。这里我们就设计了一个等待。

事实上这相当于设计了一个临界区（critical section），在 A 进行 milk, buy 的时候，不会被 B 打断。

不过，这个做法看起来似乎有点太复杂了，它的正确性也不是直观的。另外还有两个问题：A 和 B 的策略不同；A 等待的时候浪费了时间，对于 CPU 来说就是浪费了算力（称为 busy-waiting）。

好吧，现在 A 和 B 都想不出来办法了，能不能借助一些“外力”呢？也就是说，硬件已经这样了，有没有办法在更高的层面上避免这种情况？

有的兄弟，有的！

现在 A 和 B 去买了一把锁，他们约定，如果谁出去买牛奶了，就把冰箱锁上。好了，一切都解决了。

不过，计算机应该怎么造锁呢？这就不是本文讨论的内容了。