實際上，有一類很重要的併發編程，這種併發編程模型叫做【fork】和【join】（分叉和會和），這個模型中，程序有一系列階段組成，在每個階段，都有多個工作線程和一個管理線程，程序會創建多個工作線程，然後每個工作線程解決該階段的某些問題，在程序中，你可以使用某個可以切分成多個部分你的數據結構，然後每個線程更新其該數據結構中的某個塊，但出於某種原因，管理線程必須等待所有的工作線程才能進入下一階段，這裏做的事叫做【join】，前面的叫做【fork】。管理線程等待所有的工作線程完成，通過調用pthread_join，因爲只有當所有的工作做完時，纔可以去做下一階段的工作，這個模型在科學計算等方面非常的重要，在一些領域你可能需要做一些仿真，比如仿真自然界的一些現象，
Threads review
我們看到了使用線程程序好的方面，使用線程的併發可以共享所有的全局變量，但是這種共享可能會產生意外的情況，所以我們需要一種機制，可以控制線程交錯的順序（進程調度的順序），只有這樣當我們共享數據結構的時候，纔不會發生壞事，好的，控制進程交錯的過程稱爲同步（synchronization），我們將學習線程同步的一些技術，使用它們可以編寫出正確的線程程序。
Shared Variables in Threaded C Programs
如果一個進程沒有共享任何數據結構，這些線程是獨立運行的，線程交錯如何都不會有問題，但是線程一旦共享資源，我們就要小心
我們要了解什麼是線程中的資源共享，答案並不是像【全局變量是共享的，棧變量是不共享的】這麼簡單，
比如有這個定義：變量x是被共享的如果多個線程引用了x的實例
Threads Memory Model
我們來看下線程的內存模型，概念模型和真實模型略有不同，從概念上來講，有多個線程在單個進程的上下文中運行，有些進程上下文是共享的，有些不是共享的，每個線程有自己獨立線程id，棧，棧指針，程序計數器，條件碼，通用目的的寄存器，然後線程共享剩下的進程上下文，進程上下文由內核維護，如虛擬內存系統中的數據結構，打開的文件描述符，信號處理程序等等。但不幸的是，實際系統不是嚴格按照這種模型實現的，雖然寄存器是獨立的，內核爲所有寄存器維護單獨的上下文，但是由於線程共享地址空間，所有線程可以訪問所有的棧，一個線程可以訪問另一個線程的棧，雖然從概念上來講這些棧是獨立的，但是實際情況並非如此。
Mapping Variable Instances to Memory
Shared Variable Analysis
volatile告訴了編譯器永遠不要把變量放在寄存器中，所以volatile修飾的變量總是從內存中讀取，修改後又存儲到內存中。volatile可以防止變量永久存儲再寄存器中，volatile修飾的變量可以被加載到寄存器中，但緊接着該變量的值要被寫回到內存。
Progress Graphs
現在的問題是我們如何保證安全的軌跡，也就是我們所說的同步，我們想以某種方式配置內核，使得內核永遠不會調度不安全的軌跡，那我們應該怎麼做呢，我們必須同步這些線程的執行，但從另外一個角度講，我們只需要保證對臨界區的互斥訪問。一旦一個線程開始執行臨界區的第一條指令，我們不希望它被另一個具有相同臨界區的線程打斷，例如，一個對應於某個全局變量的臨界區，不能被執行同樣的臨界區的另一個線程打斷，
Enforcing Mutual Exclusion
Using Semaphores for Mutual Exclusion
Semaphores
信號量是一個非負的全局整數，信號量作爲同步的變量，被兩個內核函數P和V操作，兩個系統調用叫做P和V，P和V對應於荷蘭語Proberen(測試）和Verhogen（增加），我們簡稱P和V，只需要瞭解兩個函數的作用就好，這兩個函數都以信號量作爲參數，並且P操作具有以下語義，如果s不爲0，將其減1並且立即返回，如果s=0，就掛起這個線程，知道s變爲非0，然後通過V操作重啓該線程，如果信號量爲0，P就會阻塞，線程就會被掛起，直到它被V操作重新啓動，然後重新啓動P操作，現在P操作可以減1並將控制權返回給調用者。
V操作只將s增加1，這裏的增加不像前面的cnt++，這裏的增加操作是原子的，因此永遠不會被打斷，然後在它增加s後，它會檢查是否有線程阻塞在P操作上，你可以認爲，內核維護了一個被P操作阻塞的線程隊列，並且在V操作增加信號量之後，它會檢查該隊列是否又被P操作阻塞的線程，這些線程在執行P操作時，信號量爲0，然後它以某種不確定的順序重新啓動其中一個線程，按照某種順序，所以你不能假設按照某種順序，內核使用某種選擇算法從隊列中選擇一個線程，然後內核重啓這個被P操作阻塞的線程，然後P操作可以將信號量減1。
這樣定義P和V操作的主要目的是，讓信號量獲得一個信號量不變性的屬性，信號量不變性，也就是對於一個信號量，只通過P和V操作對信號量進行操作的時候，信號量的值總是大於或者等於0。這個性質非常的有用，利用這個屬性可以實現對臨界區的互斥訪問，
C Semaphore Operations
Using Semaphores for Mutual Exclusion
使用信號量去修復課程Slides中的bug，基本的想法是初始化信號量爲1，根據定義，任何初始化爲1的信號量稱爲互斥鎖，因爲它用來提供互斥操作，這種叫法可以追溯到Dijkstra早期的論文。因此我們爲程序中的每個共享變量提供一個唯一的互斥鎖，即初始化值爲1的信號量，在我們這個程序中，我們只關心cnt這個共享變量，因此我們只創建一個稱爲mutex的互斥鎖，然後使用PV操作將臨界區操作cnt的部分保護起來，也就是，你先調用P，然後執行臨界區，然後再調用V。
現在講一下我們使用信號量時我們要用到的一些術語
首先是二進制信號量，它是一個信號量，其值始終爲0和1，然後是互斥鎖（互斥量），即用來互斥的二進制信號量，P操作稱爲互斥鎖加鎖，V操作稱爲互斥鎖釋放。如果進程持有互斥鎖，那麼意味着互斥鎖已經加鎖，但未被釋放，因此互斥量和二進制信號量始終初始化爲1，互斥鎖用於互斥，但還有一種信號量叫做counting semaphore，它可以用來對系統的事件計數，對於accounting semaphore，信號量的值通常大於1，好，下面我們使用互斥鎖修復程序。
Why Mutexes Work
現在看這一個進度圖，這個進度圖對於使用PV操作同步後的程序，所以我們在臨界區之前調用P，然後執行臨界區，然後我們調用V，現在，P會減少信號量，而V會增加信號量，因此如果你記錄了執行狀態空間中每個點的信號量值，你會得到這些信號量的值，原點的信號量值爲1，然後程序開始執行，在H（1）之後，信號量爲1，然後我們執行P操作，信號量減1，然後程序繼續執行。
PV操作創造了禁止區，禁止區對應於狀態空間中的，信號量爲-1的地方，因爲這些地方是不可到達的，根據P和V的定義，這些地方永遠無法到達，這樣就形成了一個包含不安全區域的禁止區了，這樣就可以提供對臨界區的互斥訪問。