操作系统基础及多线程/进程同步

操作系统基础

程序VS进程（Process）VS线程（Thread）

程序是指令的集合，静态文本

进程是程序在一个数据集上运行的过程，进行资源分配和调度的单元

线程是进程中的实体，被系统独立调度和执行的基本单元，可共享资源

进程间通信方法

管道，信号量，消息队列，套接字
管道( pipe )：管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，而且只能在具有亲缘关系的进程间使用。进程的亲缘关系通常是指父子进程关系。

有名管道 (named pipe) ： 有名管道也是半双工的通信方式，但是它允许无亲缘关系进程间的通信。

信号量( semophore ) ： 信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其他进程也访问该资源。因此，主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。

消息队列( message queue ) ： 消息队列是由消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大

套接字( socket ) ： 套解口也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是。它可用于不同进程间的进程通信，指定端口号即可。

线程同步与互斥概念

线程同步：

使并发执行的各线程之间能够有效的共享资源。
互斥VS同步：

AB竞争资源的相互制约叫做互斥；A做完提供给B，B才能继续做，有先后顺序，叫做同步。互斥是一种特殊的同步。
同步VS异步：

同步必须有先后，异步无所谓先后。
多线程同步互斥的常见方法：

事件event、互斥量，互斥锁mutex、信号量PV。

事件：事件能够通知一个线程的操作已经完成。

互斥量：所有权

信号量：信号量可以计算资源当前剩余量，是一个计数器。

临界资源和临界区

临界资源：一段时间内只允许一个线程访问的资源就称为临界资源或独占资源

临界区：访问临界资源的代码称为临界区

进程间同步问题

参考

#操作系统

多线程同步

生产者消费者

描述

生产者消费者问题（英语：Producer-consumer problem），也称有限缓冲问题（英语：Bounded-buffer problem），是一个多线程同步问题的经典案例。该问题描述了两个共享固定大小缓冲区的线程——即所谓的“生产者”和“消费者”——在实际运行时会发生的问题。生产者的主要作用是生成一定量的数据放到缓冲区中，然后重复此过程。与此同时，消费者也在缓冲区消耗这些数据。该问题的关键就是要保证生产者不会在缓冲区满时加入数据，消费者也不会在缓冲区中空时消耗数据。

解析

需要保证两个方面的同步：

缓冲区操作互斥

生产者和消费者不能同时操作一个缓冲区
剩余容量的的同步

生产者不能在缓冲区满的情况下生产数据，消费者不能在缓冲区为空的情况下消耗数据

伪代码

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)

读者写着问题

读者—写者问题（Readers-Writers problem）也是一个经典的并发程序设计问题，是经常出现的一种同步问题。计算机系统中的数据（文件、记录）常被多个进程共享，但其中某些进程可能只要求读数据（称为读者Reader）；另一些进程则要求修改数据（称为写者Writer）。就共享数据而言，Reader和Writer是两组并发进程共享一组数据区，要求：

（1）允许多个读者同时执行读操作；

（2）不允许读者、写者同时操作；

（3）不允许多个写者同时操作。

读者优先VS写者优先

多个读者可以同时读，在读文件的时候不能写，在写文件的时候不能读。

读者优先

读者可以连续不断来，只要有读者，写者就不能写
写者优先

一旦有写者来，之后的读者必须等待

读者优先

需要如下信号量：

read_count 记录读者个数
writer 记录写者互斥
mutex 保证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)

写者优先

需要增加一个互斥锁，负责当有写者的时候阻塞之后的读者。

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)

哲学家就餐问题

问题描述

哲学家就餐问题可以这样表述，假设有五位哲学家围坐在一张圆形餐桌旁，做以下两件事情之一：吃饭，或者思考。吃东西的时候，他们就停止思考，思考的时候也停止吃东西。餐桌中间有一大碗意大利面，每两个哲学家之间有一只餐叉。因为用一只餐叉很难吃到意大利面，所以假设哲学家必须用两只餐叉吃东西。他们只能使用自己左右手边的那两只餐叉。哲学家就餐问题有时也用米饭和筷子而不是意大利面和餐叉来描述，因为很明显，吃米饭必须用两根筷子。

解析

对于每一个哲学家，需要拿起左边的筷子，拿起右边的筷子，吃。

Semaphore chopsticks

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

#操作系统