操作系统之多线程资源竞争篇

通过上一篇文章操作系统之进程线程篇，我们知道，线程共享进程的资源，当一个进程中有多个线程且同时访问共享资源时，如果不采取有效的措施，则会造成共享数据的混乱。那么，我们如何解决多个线程对资源的竞争？操作系统通过互斥和同步两种方法来实现。

互斥

概念：对于临界资源区，同一时刻只能有一个线程来访问，其他线程被阻止进入临界资源区。

同步

概念：并发线程在一些关键点上可能需要互相等待与互通消息，这种相互等待与互通消息称为线程同步。

那么问题来了，操作系统是如何实现互斥与同步的？

主要的方法有2种：锁和信号量其中，锁和信号量都能实现线程间的互斥，而信号量的功能更加强大，不但能实现线程间的互斥，还能实现进程间的同步。

锁：

　　我们对想进入临界资源区的线程，必须先执行加锁操作，若加锁操作顺利通过，则进入临界资源区，在完成对临界资源区的访问后进行解锁，释放临界资源。

锁的分类：

　　忙等待锁：也称为自旋锁，这是最简单的一种锁，当线程获取不到锁时，线程就会一直while循环，不做任何事情。

　　无等待锁：获取不到锁时，不用自旋，把当前线程放到锁的等待队列，执行调度程序，把CPU让给其他线程执行。

信号量：

　　信号量是操作系统提供的一种协调共享资源访问的方法，我们通常用信号量表示资源的数量，对应的变量是一个整型(sem)变量。此外，用P操作和V操作来控制信号量。

　　P操作：将sem减1，相减后，如果sem<0，则线程进入阻塞等待，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，唤醒一个等待的线程，表明V操作不会阻塞。

　　P操作是用在进入临界区之前，V操作是用在离开临界区之后，P、V操作必须成对出现。

那么信号量是如何实现临界区互斥访问？

　　共享资源设置一个互斥信号量s初值为1，表示该临界资源未被占用。

　　当一个线程要进入临界区时，必须先对互斥信号量进行P操作，执行P操作之后s的值变为0，表示临界资源空闲，可分配给该线程。此时第二个线程想要进入临界区，也应该先执行P操作s值为-1，意味着临界资源已被占用，第二个线程被阻塞。直到第一个线程释放临界资源执行V操作s值为0，才唤醒第二个线程并进入临界区，等完成访问并执行V操作，此时s值为1。

　　对于两个并发线程，互斥信号量的取值有1，0，-1三个值，分别表示：

　　　　如果互斥信号量为1，表示没有线程进入临界区。

　　　　如果互斥信号量为0，表示有一个线程进入临界区。

　　　　如果互斥信号量为-1，表示有一个线程进入临界区，另一个线程等待进入。

那么信号量是如何实现事件同步？　　

　　

 

生产者-消费者问题：

描述：生产者生产数据后放在缓冲区中，消费者从缓冲区取出数据处理，任何时刻，只能有一个生产者和消费者可以访问缓冲区。

分析：

　　任何时刻只能有一个线程访问缓冲区，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从缓冲区取出数据，说明生产者和消费者需要同步。

 

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哲学家就餐问题(经典同步问题)：

问题描述：有五个哲学家，他们的生活方式是交替地进行思考和进餐。他们共用一张圆桌，分别坐在五张椅子上。在圆桌上有五个碗和五支叉子，平时一个哲学家进行思考，饥饿时便试图取用其左、右最靠近他的叉子，只有在他拿到两支叉子时才能进餐。进餐完毕，放下叉子又继续思考。

方案一：当哲学家饿了就去拿叉子，有叉子直接用，没有叉子就等待其他哲学家放回叉子。

缺点：极限情况下，5位哲学家同时拿起了左边的叉子，桌子上没有叉子了，同时也没有人能够拿到他们右边的叉子，就会导致了死锁的发生。

方案二：让哲学家们顺序进餐，每次进餐只能有一个哲学家，其他哲学家都不能动，只有这位哲学家吃完，才能轮到下一个哲学家进餐。

缺点：5把叉子理论上可以有两个哲学家同时进餐，从效率上讲，这不是最好的解决方案。

方案三：让偶数编号的哲学家先拿左边的叉子再拿右边的叉子，奇数编号的哲学家先拿右边的叉子后拿左边的叉子。这样不会出现死锁，且两个哲学家可以同时就餐。

方案四：用一个记录每一位哲学家在进餐、思考还是饥饿状态(试图拿起叉子)，当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。这样也不会出现死锁，也可以使两个哲学家同时进餐。

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读者-写者问题(数据库访问模型)：

描述：读-读：同一时刻，允许多个读者同时读。

　　　读-写：没有写者时才能读，没有读者时写者才能写。

　　　写-写：没有其他写者时，写者才能写。

策略：

　　读者、写者优先级相同。

　　写者、读者互斥访问。

　　只能一个写者访问临界区。

　　可以有多个读者同时访问临界区。