操作系統基礎及多線程/進程同步

操作系統基礎

程序VS進程（Process）VS線程（Thread）

程序是指令的集合，靜態文本
進程是程序在一個數據集上運行的過程，進行資源分配和調度的單元
線程是進程中的實體，被系統獨立調度和執行的基本單元，可共享資源

進程間通信方法

管道，信號量，消息隊列，套接字

管道( pipe )：管道是一種半雙工的通信方式，數據只能單向流動，而且只能在具有親緣關係的進程間使用。進程的親緣關係通常是指父子進程關係。
有名管道 (named pipe) ： 有名管道也是半雙工的通信方式，但是它允許無親緣關係進程間的通信。
信號量( semophore ) ： 信號量是一個計數器，可以用來控制多個進程對共享資源的訪問。它常作爲一種鎖機制，防止某進程正在訪問共享資源時，其他進程也訪問該資源。因此，主要作爲進程間以及同一進程內不同線程之間的同步手段。
消息隊列( message queue ) ： 消息隊列是由消息的鏈表，存放在內核中並由消息隊列標識符標識。消息隊列克服了信號傳遞信息少、管道只能承載無格式字節流以及緩衝區大
套接字( socket ) ： 套解口也是一種進程間通信機制，與其他通信機制不同的是。它可用於不同進程間的進程通信，指定端口號即可。

線程同步與互斥概念

線程同步：
使併發執行的各線程之間能夠有效的共享資源。

互斥VS同步：
AB競爭資源的相互制約叫做互斥；A做完提供給B，B才能繼續做，有先後順序，叫做同步。互斥是一種特殊的同步。

同步VS異步：
同步必須有先後，異步無所謂先後。

多線程同步互斥的常見方法：
事件event、互斥量，互斥鎖mutex、信號量PV。
事件：事件能夠通知一個線程的操作已經完成。
互斥量：所有權
信號量：信號量可以計算資源當前剩餘量，是一個計數器。

臨界資源和臨界區

臨界資源：一段時間內只允許一個線程訪問的資源就稱爲臨界資源或獨佔資源
臨界區：訪問臨界資源的代碼稱爲臨界區

進程間同步問題

參考

#操作系統

多線程同步

生產者消費者

描述

生產者消費者問題（英語：Producer-consumer problem），也稱有限緩衝問題（英語：Bounded-buffer problem），是一個多線程同步問題的經典案例。該問題描述了兩個共享固定大小緩衝區的線程——即所謂的“生產者”和“消費者”——在實際運行時會發生的問題。生產者的主要作用是生成一定量的數據放到緩衝區中，然後重複此過程。與此同時，消費者也在緩衝區消耗這些數據。該問題的關鍵就是要保證生產者不會在緩衝區滿時加入數據，消費者也不會在緩衝區中空時消耗數據。

解析

需要保證兩個方面的同步：

• 緩衝區操作互斥
  生產者和消費者不能同時操作一個緩衝區
• 剩餘容量的的同步
  生產者不能在緩衝區滿的情況下生產數據，消費者不能在緩衝區爲空的情況下消耗數據

僞代碼

Semaphore mutex = 1
Semaphore empty_num = size, product_num = 0

producer:
    while(1):
        P(empty_num)
        P(mutex)
        produce()
        V(mutex)
        V(product_num)

customer:
    while(1):
        P(product_num)
        P(mutex)
        custome()
        V(mutex)
        V(empty_num)

讀者寫着問題

讀者—寫者問題（Readers-Writers problem）也是一個經典的併發程序設計問題，是經常出現的一種同步問題。計算機系統中的數據（文件、記錄）常被多個進程共享，但其中某些進程可能只要求讀數據（稱爲讀者Reader）；另一些進程則要求修改數據（稱爲寫者Writer）。就共享數據而言，Reader和Writer是兩組併發進程共享一組數據區，要求：
（1）允許多個讀者同時執行讀操作；
（2）不允許讀者、寫者同時操作；
（3）不允許多個寫者同時操作。

讀者優先VS寫者優先

多個讀者可以同時讀，在讀文件的時候不能寫，在寫文件的時候不能讀。

• 讀者優先
  讀者可以連續不斷來，只要有讀者，寫者就不能寫
• 寫者優先
  一旦有寫者來，之後的讀者必須等待

讀者優先

需要如下信號量：

• read_count 記錄讀者個數
• writer 記錄寫者互斥
• mutex 保證read_count和writer的修改操作是互斥的

Semaphore read_count = 0
Semaphore mutex = 1, writer = 1

reader:
    while(1):
        P(mutex)
        read_count++
        if(read_count == 1)
            P(writer)
        V(mutex)
        read()
        P(mutex)
        read_count--
        if(read_count == 0)
            V(writer)
        V(mutex)

writer:
    while(1):
        P(writer)
        wirte()
        V(wirter)

寫者優先

需要增加一個互斥鎖，負責當有寫者的時候阻塞之後的讀者。

Semaphore read_count = 0
Semaphore mutex = 1, writer = 1, queue = 1

reader:
    while(1):
        P(queue)
        P(mutex)
        read_count++
        if(read_count == 1)
            P(writer)
        V(mutex)
        V(queue)
        read()
        P(mutex)
        read_count--
        if(read_count == 0)
            V(writer)
        V(mutex)

writer:
    while(1):
        P(queue)
        P(writer)
        wirte()
        V(wirter)
        V(queue)

哲學家就餐問題

問題描述

哲學家就餐問題可以這樣表述，假設有五位哲學家圍坐在一張圓形餐桌旁，做以下兩件事情之一：吃飯，或者思考。吃東西的時候，他們就停止思考，思考的時候也停止吃東西。餐桌中間有一大碗意大利麪，每兩個哲學家之間有一隻餐叉。因爲用一隻餐叉很難吃到意大利麪，所以假設哲學家必須用兩隻餐叉吃東西。他們只能使用自己左右手邊的那兩隻餐叉。哲學家就餐問題有時也用米飯和筷子而不是意大利麪和餐叉來描述，因爲很明顯，吃米飯必須用兩根筷子。

解析

對於每一個哲學家，需要拿起左邊的筷子，拿起右邊的筷子，吃。

Semaphore chopsticks[N]
while(1)
    P(chopsticks[i])
    P(chopsticks[i+1]%N)
    eat()
    V(chopsticks[i+1]%N)
    V(chopsticks[i])

#操作系統