操作系统中的同步互斥（锁与信号量）

互斥

操作系统的同步与互斥可以从线程和进程两个角度进行理解。如果从线程的角度理解，这里本文以两个线程为例，需要考虑这两个线程是否属于同一个进程，对于不同进程的线程来说，它们本质上和从两个进程的角度进行理解是一样的，在之后讨论两个进程间的同步互斥时会详细说明。对于同一进程的两个线程，假设有这样一段代码。

int res, temp=0;
res = temp++;

上文的代码是通过C语言编写的，需要经过编译、链接之后才能执行，经过编译后，“res=temp++;”可能被翻译成如下的汇编指令。

load temp, reg1
store reg1, res
inc reg1
store temp, reg1

如果两个线程同时执行这样一段代码，在执行过程中，可能发生线程切换，导致一个线程没有全部执行完这4条指令，就将执行权限交到另一个线程的情况。考虑这样一种情况，线程1在执行完inc reg1之后发生线程切换，第二个线程开始执行，如果第二个线程正常执行完毕，将temp置为1，然后切回线程1，再次将temp置为1。其实这已经和我们的初衷不符，因为正常情况下，我们通常认为temp应该等于2，而且更重要的是，这个代码带有不确定性，如果两个线程执行时，temp可能为1也可能为2，res的值也不确定。

一种简单的做法是加锁，还是看一段代码。

int res,temp=0;
LOCK(p);
res = temp++;
UNLOCK(p);

这里假设p是一个全局变量，初始化为1，函数LOCK(p)可以理解为读取p的值，如果p>0则p执行自减操作，如果p=0则将当前线程睡眠一个固定的时间，然后再来查询p的值，这个过程可以表示为如下代码。

void LOCK(int p)
{
    while(1)
    {
        if(p > 0)
        {
            p--;
            return;
        }
        sleep(10);
    }
}

UNLOCK的代码同理，这里不详细写了。看到这里读者可能会发现，这段代码看似解决了以前的问题，但是带来了两个新的问题：

1. 这段代码并不能真正让多线程正确工作，比如线程1执行时，假设p=1，那么(p>0)是成立的，但是如果恰巧执行完p>0以后线程切换，线程1让出执行权限给线程2，那么线程2在判断p>0时也是成立的，这时两个线程仍然同时进入到临界区（我们把不允许多线程同时执行的区域称为临界区或互斥区，下同)，因此不能解决上述问题。

2. 第二个问题是，即使多个线程不会同时进入到临界区，也会导致忙等待的问题。具体来说，如果线程1进入到临界区，这时切换到线程2，线程2可能也执行这段代码，当它试图执行LOCK(p)时，它会一直轮询p的状态，此时线程1没有执行，那么它这个时间片(线程2的执行时间)事实上是浪费了，如果线程2的优先级高于线程1，而且线程的调度算法是优先级高的线程总是先执行，那将产生可怕的后果，线程1永远也不能执行，因此永远也不会释放锁，而线程2永远在轮询，永远在浪费时间片。

显然，上述两个问题是不能回避的，这两个问题必须得到解决。针对第一个问题，事实上我们采用硬件提供的方法，由硬件确保查询和更改操作是原子操作，简单来说，就是判断(p>0)和执行p--这两个操作是原子操作，要么都做要么都不做，我记得C库会提供一个大致叫CompareAndChange的函数来完成这个操作。
针对第二个问题，要解决起来就复杂的多。首先，操作系统将线程分为三种状态，分别是就绪（Ready）、挂起（Suspend）、执行（Execute），事实上这三种状态在很多地方都会用到，这里只考虑在访问临界区时的应用。首先介绍一下这三种状态，就绪态的线程是指一个线程已经就绪，简单来说就是可以被调度执行，需要注意，同一时刻可能存在多个就绪态的线程，如果当前执行的线程执行完毕后，会从当前多个就绪线程中选取一个线程（一般选择优先级最高的）切换到执行态。执行态的线程在同一时刻只有一个（事实上执行态的线程个数取决于CPU核的个数，但又不仅仅取决于CPU核的个数，这里不详细讨论），挂起态比较特殊，这类线程往往是由于资源得不到满足而挂起，等到资源满足以后再被唤醒切换到就绪态。举个简单的挂起态的例子，比如一个线程想要读磁盘，那么它只需要发一个系统调用告诉内核，再由内核告诉磁盘读取指定区域的数据，但是这个读取是需要时间的，此时这个线程就被阻塞了，因此给它时间片也没用，所以它会被os挂起，当磁盘读取完成后，可以告诉内核，然后由内核再将上述挂起线程唤醒。

回到这个问题，当线程1执行了LOCK(p)之后进入到临界区以后，如果这时线程1让出执行权限，由线程2开始执行，那么当它执行到LOCK(p)时，它不会再去轮询p到状态，而是会将自己从执行态（因为此时线程2在执行，所以必然处于执行态）变为挂起状态。需要注意的是，无论线程2的优先级多么高，此时线程2再也没有执行的可能了。接下来，如果线程1执行完毕后，它会执行UNLOCK(p)，那么此时UNLOCK(p)也不能仅仅做p++了，它需要唤醒线程2，也就是唤醒等待p的线程。此时p已经不仅仅是一个整数那么简单了，准备的说，p已经是一个信号量了，信号量肯定比一个整数要复杂很多，但从原理上讲，也不需要很复杂。那么一个信号量需要什么呢？我想它应该需要两样东西：

1. 一个整数记录当前信号量的值，信号量的值不总是1，比如临界区的代码是操作打印机，而此时存在十个打印机，那么允许十个线程同时进入到临界区，因此信号量可以是10，当然大多数情况下信号量只有0、1两个取值。

2. 应该有一个队列作为信号量的等待队列，简单来说，如果线程1在临界区中执行时让出执行权限，在线程1再次被调度执行以前，有线程2、线程3两个线程都试图进入临界区，因此这两个线程会进入到一个队列中，当信号量被线程1释放时，我们一般会唤醒先等待信号量的线程，假设线程2先试图访问这个临界区，那么就先唤醒线程2，等线程2再次执行完毕后再唤醒线程3.

如此，一个简单的信号量就设计完成了，对于信号量的操作，一般称为P和V操作，P相当于LOCK、V相当于UNLOCK。当然，现在的操作系统对于信号量的设计远没有这么简单，考虑的情况也要复杂很多，这只是一个简单的分析，如果有读者在这方面想要交流，欢迎发邮件给我。

同步

上述考虑的是互斥的情况，下面考虑同步的情况。首先，操作系统为什么要有同步操作？举个例子，福特是汽车行业的先驱，尽管汽车的发明者是benz（关于汽车的发明者，现在仍然争论不休，这里不详细说了），但是福特真正把汽车带进了千家万户，他最大的贡献就是发明了流水线作业，大幅度降低了汽车制造的成本。流水线作业的本质是每个人只负责一小部分，整个工厂像流水线一样完成汽车制造。对于计算机来说，我们考虑这样一种情况，假设一个音乐播放软件，首先需要有一个线程负责告诉磁盘把音乐读到内存中，然后另一个线程负责把内存中的数据发送到声卡处理。那么整个音乐播放就是一个同步问题，首先需要将数据读到内存，才能将数据发送给声卡，播放出我们可以听见的声音。如果将这个问题抽象一下，可以认为有A、B、C、D四个操作，需要按照A、B、C、D的顺序执行，对于这类问题，应用上述信号量的机制就可以很好解决。比如设计三个信号量，这里分别记为a，b，c。线程B等待信号量a，线程C等待信号量b，线程D等待信号量c，初始化阶段将三个信号量都设置为0，因此线程B、C、D都会阻塞。当线程A执行完毕后，唤醒B，然后依次唤醒就可以让四个线程严格按照顺序执行。

当然，这里考虑的仍然是非常简单的情况，读者可以考虑按照这种思路会出现哪些无法解决的问题？？或者仍有哪些问题没有考虑到？？

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