操作系统11-同步

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信号量

就是一个整型加上一个队列

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class Semaphore{
int sem;
WaitQueue q;
}

P操作

让信号量减少1,如果<0,把自己挂起

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// 有原子性
P(){
sem--;
if(sem<0){
Add this thread to q;
block(t);
}
}

V操作

让信号量加1,如果&le;0,唤醒挂起的一个线程

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// 有原子性
V(){
sem++;
if(sem<=0){
Remove a thread t from q;
wakeUp(t);
}
}

简单的同步

这是A的代码

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do a1
do a2

这是B的代码

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do b1
do b2

我们需要保证a2在b1之后执行,应该怎么办?
我们可以让信号量设为0,如果A先执行完a1,则P()导致阻塞,当B执行完b1以后,A被唤醒,代码如下

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do a1
P()
do a2
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do b1
V()
do b2

生产者与消费者

任何时间只有一个线程操作缓冲区(互斥)
当缓冲区空,消费者要等待生产者(同步)
当缓冲区满,生产者等待消费者(同步)
所以我们需要一个互斥量,两个个信号量

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mutex = 1; // 互斥量
fullBuffers = 0; // 缓冲区满的信号量
emptyBuffers = n; // 缓存区空的信号量

生产者

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emptyBuffers.P(); // 我们要生产之前需要判断空缓冲区的信号量,如果空间不足就要阻塞
mutex.P(); // 进入临界区
Add
mutex.V(); // 退出临界区
fullBuffers.V(); // 释放

消费者

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fullBuffers.P(); 
mutex.P();
Del
mutex.V();
emptyBuffers.V();

mutex.V和fullBuffers.V可以交换,但是P不行,会死锁

管程

包含了一个锁,包含了很多条件变量

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class Condition{
int numWaiting=0; // 队列中的元素个数
WaitQueue q;
void Wait(lock){
numwaiting++;
Add this thread to q;
release(lock);
schedule();
require(lock);
}
void Signal(){
if(numWaiting>0){
Remove a thread t from q;
wakeup(t);
numWaiting--;
}
}
}

想想如何用管程实现生产者消费者
一个锁lock+两个条件变量notFull和notEmpty+一个计数器记录缓冲区的食物数量

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// 生产者
lock.require();
while(count==n) notFull.Wait(&lock); // 如果满了就等待,参加上面的wait会释放锁
Add, count++;
notEmpty.Signal(); // 生产了以后就可以去唤醒别人了
lock.Release();
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// 消费者
lock.require();
while(count==0) notEmpty.Wait(&lock);
Del, count--;
notFull.Signal();
lock.Release();

注意到消费者的Signal后,有两种选择,第一是继续执行,直到release,第二是将CPU交给被唤醒的线程去执行管程,
我们先考虑第一种方案,当唤醒线程以后,自己的release执行完以前,没有任何其他线程能够进入临界区,当自己release以后,我们来考虑所有的生产者,有若干个被唤醒的线程已经在临界区里面了,可能还有一些生产者也在临界区中然而没有被唤醒,这种我们不用管他,还有一种在临界区外正准备争夺临界区的控制,所以,为了避免那些临界区外和若干个临界区内被唤醒的线程发生冲突,我们必须用while来保证只有一个线程再次获得控制权。
为什么会有若干个未被唤醒的线程出现在临界区中? 我们考虑这样一种情况,此时缓冲区食物满了,一个生产者进入了临界区,发现count=n,于是开始wait,这导致了锁被释放,之后就有两个分支了,要么是又来了一个生产者争夺了锁,要么来了一个消费者开始消费,如果来的是生产者,他发现count=n,又会开始wait,这就是为什么会出现多个未被唤醒的生产者出现在临界区中。
为什么会有若干个被唤醒的线程出现在临界区中,我们先考虑现在只有一个未被唤醒的生产者在临界区,此时cpu在消费者手中,当消费者signal以后,会唤醒生产者,但是生产者不见得能拿到CPU,当消费者release以后,临界区的那个生产者跃跃欲试,然后临界区外面还有一群生产者也在等着呢,要是他们拿到了,临界区中的生产者虽然被唤醒,但是还是会被require阻塞,这种情况下,被唤醒的生产者就一个接一个的被阻塞了。
如果我们改进CPU,使用第二种方法,让被唤醒的线程去执行管程,那就不会发生上面的问题,我们的while可以换位if,但是这样的CPU难以设计。

读者与写者

两个信号量countMutex和writeMutex,一个整形Rcount

读者优先

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// write
lock(writeMutex); // 上锁,私有锁

write

unlock(writeMutex);
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// 写者
lock(CountMutex); // 上私有锁
if(Rcount=0) lock(writeMutex); // 读者的锁共享
++Rcount
unlock(CountMutex);

read;

lock(CountMutex); // 上私有锁
--Rcount
if(Rcount=0) unlock(writeMutex); // 读者的锁共享
unlock(CountMutex);

写者优先

使用管程实现

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void read(){
wait until no writers; // 等待所有的活跃的读者和等待的读者
read;
wakeup waiting writers; // 唤醒等待的读者
}
void write(){
wait until no readers/writers; // 等待活跃的读者和活跃的写者
write;
wakeup waiting readers/writers; // 优先唤醒等待的写者
}

哲学家进餐

错误: 先拿左边,再拿右边,如果右边没拿到则放下左边的,然后等待一段时间, 可能导致饥饿
错误: 让筷子变成互斥的,导致只有一个人能够吃面条

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if(state[i]==HUNGRY&&state[LEFT]!=EATING&&state[RIGHT]!=EATING){
state[i]=EATING;
V(s[i]);
}
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think();

P(mutex);
state[i]=HUNGRY;
test_take_left_right_forks(LEFT); // 自己吃
V(mutex);
P(s[i])

eat();

P(mutex);
state[i]=THINKING;
test_take_left_right_forks(LEFT); // 左邻居吃
test_take_left_right_forks(RIGHT); //右邻居吃
V(mutex);

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