6-1進程同步背景
1.生產者消費者問題
採用共享內存解決生產中消費者問題時，N個緩衝區最多隻能用N-1個，如何解決？
2.共享數據的一致性
①對共享數據的併發訪問可能導致數據的不一致性
②要保持數據的一致性，需要一種保證併發進程的正確執行順序的機制。
③競爭條件 race condition
若干併發的進程（線程）都可以訪問和操縱同一共享數據，從而執行結果取決於併發進程對這個數據的訪問次序。爲保證數據的一致性，需有同步機制來保證多個進程對共享數據的互斥訪問。
3.進程間的制約
①進程類型：協作進程，彼此影響；獨立進程，互斥。
②進程間資源的訪問衝突：共享變量的修改衝突；操作順序衝突。
③進程間的制約關係：
間接制約：資源互斥，進程競爭，進程的互斥
直接制約：進行協作，進程的同步
4.進程間的交互關係
互斥：多個進程不能同時使用同一個資源
同步：進程之間協作
死鎖：多個進程互不相讓，都得不到足夠資源
6-2 臨界區
1.臨界區的訪問過程
①對於臨界資源，多個進程必須互斥對它的進行訪問。
②臨界區（critical section）：進程中訪問臨界資源的一段代碼。
③實現進程對臨界資源的互斥訪問——各進程互斥地進入自己的臨界區。
④假定一個系統中有n個進程（P0，P1，……，Pn）每個進程。
⑤當一個進程在臨界區中執行時，其他進程都不能進入臨界區。
2.進入區和退出區
①臨界區的執行在時間上互斥，進程必須請求允許進入臨界區。
②進入區（entry section）：在進入臨界區之前，檢查可否進入臨界區的一段代碼。如果可進入，通常設置相應“正在訪問臨界區”標誌。
③退出區（exit section）：用於將“正在訪問臨界區”標誌清除的一段代碼。
④剩餘區（remainder section）：代碼中的其餘部分。
3.臨界區的解決方案——三個要求
①互斥 mutual exclusion
假定進程Pi在其臨界區內執行，其他任何進程將被排斥在自己的臨界區之外。
②有空讓進 progress
臨界區雖沒有進程只想，但有些進程需進入臨界區，不能無限期延長下一個需要臨界區進程的等待時間。
③有限等待 bounded waiting
在一個進程提出進入臨界區的請求和該請求得倒答覆的時間內，其他進程進入臨界區的次數必須是有限的。
4.如何實現進程間的互斥
①兩進程互斥的軟件方法——算法1
設立一個兩進程公用的整型變量turn：描述允許進入臨界區的進程標識。
有兩個進程Pi和Pj，如果turn == j，進程Pi允許在其臨界區執行。
缺點：強制輪流進入臨界區，沒有充分考慮進場的實際需要，容易造成資源利用不充分。進程1讓出臨界區之後，進程2進入臨界區之前，進程1無法再使用臨界區。
②算法2
設立一個標誌數組flag[]：描述進程是否準備進入臨界區，初值均爲FALSE。
優點：不用交替進入，可連續使用。
缺點：兩進程可能都進不了臨界區。
③算法3
turn=j，描述可進入的進程（同時修改標誌），在進入區修改後檢查，並檢查併發修改的先後：
檢查對方的flag，如不在臨界區則自己進入——空閒則進
否則再次檢查turn；先到先入，後到等待。
6-3信號量
OS可從進程管理者的角度處理互斥問題，信號量就是OS提供的管理公有資源的有效手段。
1.信號量——可用資源實體的數量 整型變量
①第一種 經典定義
除初始化外，僅能通過兩個不可分割（原子）的操作訪問。
P（S）：
while S<=0 do no-op（等待，存在忙等，自旋鎖）；
S--；
V（S）：
S++；
②第二種 一種不需要等待的同步工具
P（S）：
S--；
if S<0 do block（阻塞）
V（S）：
S++；
if S<=0 then wake up（喚醒其他操作）
2.信號量更多知識 Semaphore
①S是臨界區內所使用公用資源有關的信號量。
P（S）：表示申請一個資源
V（S）：表示釋放一個資源②初始爲非負整數，表示空閒資源總數。
③在信號量經典定義下，S的值不可能爲負。
④後一種定義中：S>=0,可供進程使用的資源數
S<0,絕對值是正在等待進入臨界區的進程數。
3.利用信號量實現互斥
爲臨界資源設置一個互斥信號量，初值爲1。每個進程中將臨界區代碼置於P（S）和V（S）原語之間
P（S）：
Critical Section（）；
V（S）；
4.利用信號量來描述前趨關係
6-4 哲學家問題 Dining Philosophers Problems
1.問題
2.解答
可能會出現死鎖，五個人每個人拿起左邊筷子。
3.解決死鎖
①最多允許四個哲學家同時就坐
②同時拿起兩根筷子
③非對稱解決（單數座位號先拿左，雙數先拿右）
6-5生產者消費者問題（有限緩衝區問題）
1.問題描述：若干進程通過有限的共享緩衝區交換數據，“生產者”可不斷寫入，“消費者”不斷讀出，共享緩衝區共有N個；任何時刻只能有一個進程可對共享緩衝區進行操作。
2.採用信號量機制解決
①full是“滿”數目，初值爲0，empty是“空”數目，初值爲N。實際上，full + empty = N
②mutex用於訪問緩衝區時的互斥，初值爲1
③每個進程各個P操作的次序是重要的：先檢查資源數目，再檢查是否互斥——否則可能死鎖（兩種P操作）
6-6 讀寫問題
1.問題描述：對共享資源的讀寫操作，任一時刻“寫者”最多允許一個，而“讀者”允許多個。
①互斥 “讀——寫”
②互斥 “寫——寫”
③允許 “讀——讀”
2.如果讀者來：
①無讀者、寫者，新讀者可以讀。
②有寫者等，但有其他讀者正在讀，則新讀者也可以讀。
③有寫者寫，新讀者等。
3.如果寫者來：
①無讀者，新寫者可以寫。
②有讀者，新寫者等待。
③有其他寫者，新寫者等待。
4.採用信號量機制
①信號量Wmutex表示“允許寫”，初值爲1
②公共變量Rcount表示“正在讀”的進程數，初值爲0
③信號量Rmutex表示Rcount的互斥操作，初值是1
5.PV操作討論總結
1.①S>0 表示有S個資源可用
②S=0 表示無資源可用
③S<0 則|S|表示S等待隊列中的進程個數
④P（S） 表示申請一個資源
⑤V（S） 表示釋放一個資源
⑥信號量初始值應大於0
2.①PV操作必須成對出現，有一個P操作就一定有一個V操作。
②互斥問題：PV操作處於同一進程
同步問題：PV操作不在同一進程。
③對於前後相連的兩個P（S1）和P（S2），順序是至關重要的，同步P操作應該放在互斥P操作之前。
本文知識以及圖片來源：慕課_操作系統原理_田麗華
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