《现代操作系统》——第5章 同步互斥机制（一）
- 同步与互斥产生的背景：由于进程的三个特征导致的可能的时序错误，会引起程序执行错误
- 并发：进程的执行是间断性的，多个进程在执行的过程中不断切换
- 共享：多个进程间存在共享资源，并且多个进程间断性地执行，可能导致一个进程对数据的操作过程被另一个使用该数据的进程损坏，因此需要对使用共享资源的进程制定制约机制
- 随机：进程的执行具有随机性，因此进程的执行结果是不确定的，无法确定性的知道各进程的执行顺序和执行结果，因此也就无法得知共享资源具体被做了哪些修改，当产生错误时也不知道到底经历了什么样的出错过程
- 竞争条件：两个或多个进程读写某些共享数据，而最后的结果取决于进程运行的精确时序，由此引起的两个进程间的资源竞争
- 进程互斥——竞争关系
- 概念：由于各进程要求使用共享资源（变量、文件等），而这些资源需要排他性使用，各进程之间竞争使用这些资源——这一关系称为进程互斥
- 临界资源：系统中有某些资源一次只允许一个进程使用，称这样的资源为临界资源或互斥资源或共享变量
- 临界区：各个进程中对某个临界资源进行操作的程序片段
- 临界区的使用原则：
- 没有进程在临界区时，想进入临界区的进程可以进入
- 不允许两个进程同时处于临界区中
- 临界区外运行的进程不得阻塞其他进程进入临界区
- 不得使进程无限期地等待进入临界区
- 实现进程互斥的方案：
- 软件方案：Dekker解法、Peterson解法
- 硬件方案：屏蔽中断（简单高效；代价高，限制CPU的并发能力；不适用于多处理器；适用于操作系统本身而不适用于用户进程）、TLS指令（Test and Set Lock）、XCHG指令（EXCHANGE）
- 忙等待：进程在得到临界区访问权之前，持续测试而不做其他事情。自旋锁做的就是忙等待，常用与多处理（多核）的条件下。
- 进程同步——协作关系
- 概念：指系统中多个进程中发生的事件存在时序关系，需要相互合作，共同完成一项任务。具体地说，一个进程运行到某一时间点时，要求另一伙伴进程为他提供消息，在未获得消息前，该进程进入阻塞态，获得消息后被环形进入就绪态。常见的进程间同步问题为：生产者消费者问题
- 信号量及PV操作——经典进程同步机制
- 信号量：是一个特殊的变量，是用于进程间传递消息的一个整数值，定义如下。对信号量可以实施的操作只有三种：初始化、P（test）、V（increase）
struct semphore
{
int count;
queueType queue;
} - P、V操作的定义：信号量S>=0时，S表示可用资源的数量。执行一次P操作意味着请求分配一个单位资源，因此S的值减1；当S<0时，表示已经没有可用资源，且S的绝对值表示正在等待资源的进程数，请求者必须等待别的进程释放该类资源，它才能运行下去。而执行一个V操作意味着释放一个单位资源，因此S的值加1；若S<0，表示有某些进程正在等待该资源，因此要唤醒一个等待状态的进程，使之运行下去。
procedure P(var s:samephore); { s.value=s.value-1; if (s.value<0) asleep(s.queue); } procedure V(var s:samephore); { s.value=s.value+1; if (s.value<=0) wakeup(s.queue); } - 用信号量实现互斥：
- 设置信号量mutex初值为1
- 在临界区之前实施P(mutex)
- 在临界区之后实施V(mutex)
- 生产者-消费者问题：其中信号量empty和full用于生产者-消费者之间的同步，mutex是为了解决写与读不可同时进行而后引入的互斥信号量。从这段程序可以看出：使用PV操作实现进程同步时，同一信号量的P、V操作要成对出现，但它们分别在不同的进程（相互协作的进程）代码中；而使用PV操作实现进程互斥时，实现互斥的P、V操作必须成对出现，且在同一进程中，先做P操作，进临界区，后做V操作，出临界区。
void producer(void)
{
int item;
while( true )
{
item = produce_item();
P( &empty );
P( &mutex );
insert_item( item );
V( &mutex );
V( &full );
}
}void consumer(void)
{
int item;
while( true )
{
P( &full );
P( &mutex );
item = remove_item();
V( &mutex );
V( &empty );
consume_item( item );
}
} - 对于信号量及PV操作，可以参考：https://www.xuebuyuan.com/3230387.html
- 信号量：是一个特殊的变量，是用于进程间传递消息的一个整数值，定义如下。对信号量可以实施的操作只有三种：初始化、P（test）、V（increase）
- Linux中的同步方法
- 内核中的同步方法——主要是自旋锁和信号量，并且关注二者的区别和使用场景
- 原子操作：包括对整数的原子操作和对位的原子操作，应用对象比较单一，不做过多介绍
- 自旋锁：
- 特性：自旋锁可以防止多个执行线程同时进入同一临界区，一个被争用的自旋锁使得请求它的线程在等待锁重新可用时自旋（忙等），因此自旋锁不应该被长时间持有。自旋锁的机制类似于如下场景：寝室卫生间的争用——当有人在厕所里时，想上厕所的人在门口等，直到里面的人出来。
- Linux内核中的自旋锁：自旋锁能够保证一个时刻只有一个线程在临界区内，为多处理机器提供了防止并发访问所需的保护机制。但是在单处理器机器上，编译时不会加入自旋锁，而是被当做内核抢占机制是否开启的开关，通过防止并发的产生而保护临界区，同时防止可能产生的死锁（在单处理器机器上，如果允许内核抢占机制，当持有锁的进程被另一个争用锁的进程抢占，进而可能还会被另外的进程抢占，如此一来即使不死锁也会导致严重的问题）
- 自旋锁的使用：
- 自旋锁可以使用在中断处理程序中，因为自旋锁不会导致睡眠（不像信号量）
- 在中断处理程序中使用自旋锁时，一定要在获取锁之前禁止本地中断，否则，其他的中断处理程序可能会打断当前正持有锁的内核代码，并且可能会试图争用该锁，从而导致其自旋，但是持有锁的内核代码（中断处理程序）必须等待抢占它的中断处理程序返回，才能释放锁，于是便产生了双重死锁。
- 注意，只需要禁止当前处理器的中断，而不用禁止其他处理器的中断。如果中断发生在不同的处理器上，并且中断处理程序试图争用锁，那么即使导致其自旋，也不会影响锁的持有者释放锁，因此这是真正的并行，而不像单处理器的并发那样。
- 另外，还要注意：如果有下半部和进程上下文共享数据，由于下半部会抢占进程上下文，则在进程上下文中加锁的同时还要禁止下半部；同理，如果有中断处理程序和下半部共享数据，由于中断处理程序会抢占下半部的执行，因此在下半部中加锁的同时还要禁止中断。
- 自旋锁方法：
- spin_lock() - spin_unlock() 获取/释放指定的自旋锁
- spin_lock_irqsave() - spin_unlock_irqrestore() 保存本地中断的当前状态，禁止本地中断，并获取指定的自旋锁/释放指定的锁，并让本地中断恢复到以前的状态
- spin_lock_irq() - spin_unlock_irq() 禁止/激活本地中断，并获取/释放指定的自旋锁。由于难以搞清楚当前的中断状态，因此不提倡使用
- spin_lock_init() 动态初始化自旋锁
- spin_lock_trylock() 试图获取指定的自旋锁，即使无法获取也不会自旋
- spin_is_locked() 判断指定的锁是否被占用
- 信号量：
- 特性：Linux中的信号量是一种睡眠锁，当一个进程试图获取一个不可用（已被占用）的信号量时，信号量会将其加入等待队列，然后让其睡眠。当信号量被释放时，处于等待队列的中的进程会被唤醒，并获得该信号量。信号量适用于锁会被较长时间占用的情况。使用信号量时，大多都是用的是互斥信号量（二值信号量）。
- 由于执行线程在试图获取信号量时会睡眠，所以只能在进程上下文中获取信号量，因为中断上下文中是不能进行调度的（也就是说无法满足进程的睡眠要求并调度新的任务）。
- 在持有自旋锁时，不能试图获取信号量，持有自旋锁时不允许睡眠。
- 信号量方法：
- sema_init() 以指定值初始化信号量
- init_MUTEX() 以数值1初始化信号量
- down() 相当于信号量P操作
- up() 相当于信号量V操作
- 自旋锁和信号量的选择：
- 自旋锁适用于占有锁的时间较短的情况，而信号量则适用于占有锁的时间较长的情况。二者相比，信号量提供了更好的CPU利用率，没有把时间花在忙等待上，但是信号量却有更大的任务切换开销。“生活总是一分为二的”。
- 另外，自旋锁可以用在中断处理程序中，而信号量不能用在中断处理程序中。
- Linxu中，自旋锁和信号量分别有读写自旋锁、读写信号量，二者都偏向读操作，是对二者的优化。
- 线程同步方法——pthread API
- 互斥量——用于互斥：功能基本和互斥信号量相同（推测其实现方式为互斥信号量）。读写锁是在互斥量的基础上进行优化后的锁。
- 条件变量——用于同步：条件变量给多线程提供了一个会合的场所。条件变量与互斥量一起使用时，允许线程以无竞争的方式等待特定条件的发生。条件本身由互斥量保护，线程在改变条件状态时必须首先锁住互斥量。pthread的条件变量是MESA模式的，具体用法见同步互斥机制（二）。
- 自旋锁：通常作为底层原语实现其他的锁。自旋锁在用户层并不是非常有用。
- 屏障：屏障是用户协调多线程并行工作的同步机制，它允许任意数量的线程等待，直到所有的线程完成处理工作，而线程不需要退出，所有线程到达屏障后可以接着工作。
- 内核中的同步方法——主要是自旋锁和信号量，并且关注二者的区别和使用场景
