那些煩人的同步和互斥問題

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一、批處理和脫機打印

打印機程序，準確的說是打印機進程，在這個批處理系統中生活得很是自在，它所在的機器叫作IBM1401，除了打印以外什麼也不幹，天天大部分時間都是歇着。

這個系統還有兩臺機器，一臺仍是IBM1401，它專門收集程序員寫出來的穿孔卡片，而後轉成磁帶。  而後，操做員把磁帶輸入到IBM7094這個昂貴又強大的計算機上執行，執行結果也會輸出到磁帶上。 最後磁帶被拿到1401上進行打印， 這叫作脫機打印（不和7094相鏈接）。以下圖：

圖1、脫機打印

在沒有磁帶來的時候，打印機程序無所事事，這就是脫機打印的好處。更大的好處是，磁帶上須要打印的東西都是順序的，一個接一個打印就能夠了，徹底沒有衝突的問題。這是沒辦法的事情，那時候的計算機，尤爲是IBM 7094太過昂貴，要充分的利用它的每一分每一秒，而後就想出了這樣一個收集程序，而後成批處理的點子。 

二、假脫機打印

隨着計算機系統的發展，打印程序的好日子很快就結束了，電腦愈來愈便宜，最後每一個人的桌子上都有一臺電腦了。我的電腦的計算能力更是強大的驚人，打印程序也被集成進了我的電腦裏，和其餘各類各樣的程序生活在一塊兒。打印的需求仍然很強烈，像Word、WPS、Excel 、 IE、Chrome...這些程序時不時都要打印，這時候衝突就會產生。 由於只有一個打印機，到底先打印誰的文檔就是個大問題。最後操做系統老大想了個辦法，專門開闢了一塊空間，誰要想打印的話就按照先來後到的次序排隊放在那，原來的打印進程變成了一個打印守護進程，會週期性的檢查是否有文件打印，若是有則取出隊伍排頭的，打印出來，而後刪除隊列中文件。打印進程以爲這和原來的脫機打印很像，只不過用一個隊列替換了原來的磁帶，因此就叫作假脫機打印。

圖2、假脫機打印

三、衝突

可是這個隊列可不是原來的磁帶了，它徹底是個動態變化的東西，試運行還不到20秒，衝突就出現了。 

WPS氣沖沖的來着打印機進程：「打印機，你怎麼搞的？個人放假通知.wps 爲何沒有打印？」 

打印機：「我沒看到什麼放假通知.wps啊！」

WPS：「我明明放在了編號爲3的槽裏，怎麼可能沒有了？」

在操做系統老大的協助下，你們查了半天，才知道是Word引發的：

當時Word 插了一腳，也進來打印，讀到了in = 3，就是說隊列中編號爲3的槽是空着的，他把3這個值放到了本身的局部變量free_slot中，這時候發生了一次時鐘中斷，操做系統老大認爲Word已經運行了足夠長的時間，決定切換到WPS進程。 

WPS也讀到了in = 3，把3 也存到本身的局部變量free_slot中，如今Word和WPS都認爲下一個空的槽是3！

WPS接着幹活，他把文件放到了第3號槽裏，而且把in 改成4，而後離開了。接下來又輪到Word運行了，它發現free_slot 爲3，就把文件也放到了第3號槽裏，把free_slot 加1，獲得4，存入in 中。可憐的WPS，他的文件被覆蓋掉了。

可是打印機程序啥也察覺不出來，照樣打印不誤。  

圖3、衝突

四、臨界區

很明顯，Word和WPS 這兩個進程甚至多個進程在讀寫in這個共享變量的時候，最後的結果嚴重依賴於進程運行的精確次序，此次是WPS的文件被覆蓋掉了，下次可能就是Word了。 
這種對共享變量，共享內存，共享資源進行訪問的程序片斷叫作臨界區。代碼在進入臨界區以前必定要作好同步或者互斥的操做。
WPS說：「老大，當時你切換Word的時候是否是發生了一次時鐘中斷 ？」
操做系統：「是啊，有了時鐘中斷我才能計算時間，而後作進程切換啊！」
「那在訪問這個in共享變量的時候，咱們本身能不能把這個中斷給屏蔽？這樣就不會有進程切換，確定沒問題了。」 Word問道。
「你想的美，時鐘中斷是最基本的東西，我把這個權限給了大家應用程序，到時候那個傢伙屏蔽之後忘記開中斷，咱們整個系統就要完蛋了！」 操做系統狠狠的瞪了Word 一眼，Word趕忙噤聲。 
「不過我據說有些機器提供了一個特別的指令，這個指令能檢查而且設置內存的值，而不會被打斷，叫作TestAndSet，若是用C語言描述的話，相似這樣：」

bool TestAndSet(bool *lock){
  bool rv = *lock;
  *lock = true;
  return tv;      
}

「須要注意的是，這個函數中的三條指令是「原子」執行的，也就是說不會被打斷。大家要是想用的話能夠這樣用：」

bool lock = false;
while(TestAndSet(&lock)){
  ;//什麼也不作  
}

臨界區;
lock = false;
剩餘區;

WPS說：「看起來有點複雜，讓我想一想啊，我和Word 的臨界區代碼，就是‘訪問in變量，放入待打印文件，而後把in 加1’ 。那在進入臨界區以前，咱們倆都會調用TestAndSet。若是是我先調用，lock會被置爲true，函數就會返回false。我就跳出了循環，能夠進行後續臨界區操做了，而Word 在調用 TestAndSet的時候，函數一直返回true，他只好不停的在這裏循環了。」
「是啊！」，Word 接着說，「我會不停的循環，直到WPS 離開臨界區，而後把lock置爲false。 」
「這個方法看起來很簡單啊，只要一個變量加上一個函數就能讓我和Word 進行互斥操做。」
操做系統說： 「是的，實現了大家兩個的互斥，可是並非全部的機器都會提供這樣的指令，因此也不通用。」

五、生產者-消費者

打印機進程說：「大家討論了半天，只是解決了兩個進程往隊列裏放文件的衝突問題，如今也得考慮考慮我了。」
「有你啥事？」，Word和WPS 都不覺得然。
「大家想一想，那個打印隊列對5個‘槽’，要是滿了就無法往裏邊放了，大家都得等；要是空了，我就得等大家往裏邊放東西，因此我們之間是否是也得同步？」
「這就是所謂的生產者和消費者問題，也是個老大難問題了」，老大總結道。 
「那用剛纔那個鎖好像不行啊，它能搞定互斥，可是作多個進程的同步就有點力不從心了。」
操做系統老大說：「據說荷蘭有個叫Dijkstra的，發明了一個信號量（semaphore）的東西，能解決這個問題。」

 

圖4、科學家Dijkstra.

「信號量是什麼鬼？信號燈嗎？ 」
"所謂信號量，說白了其實就是一個整數，基於這個整數有兩個操做：wait 和 signa。」

int s;
wait(s){
  while(s <= 0){
        ;//什麼也不作
    }  
    s--;
}        

signal(s){
  s++;  
}

「這....這....這是啥玩意兒，這麼簡單，能解決啥問題？再說了你看看這s++、s--和咱們隊列中的in、out不是同樣嗎？在多進程切換下自身正確性都難保，還能解決別人的問題？」 ，WPS吃驚的問。
「WPS 問的好啊，說明他思考了，實際上這個東西必須得我出馬來實現」，操做系統老大說，「 我會在內核實現wait 和signal，讓大家調用，好比我在作s++、s-- 時，我能夠屏蔽中斷。」
 Word說：「這個簡單的小東西有點意思，好比咱們倆能夠用它作互斥：」

int lock = 1;
wait(lock);
臨界區;
signal(lock);
剩餘區;

打印進程說：「既然信號量是個整數，也許能夠解決咱們消費者-生產者直接的同步問題。」

int lock = 1;
int empty = 5;
int full = 0;

生產者:
while(true){
  //若是empty的值小於等於0，生產者只好等待
  wait(empty);
  //加鎖（由於要操做隊列，和其它生產者互斥）
  wait(lock);
  把新產生的文件加入隊列;
  //釋放鎖
  signal(lock);
  //通知消費者隊列中已經產生了新的文件
  signal(full);     
}

消費者:
while(true){
  wait(full);
  wait(lock);
  把隊列頭的文件打印，刪除;
  signal(lock);
  signal(empty);
}

Word說:「個人天，真是複雜啊，容我想一想，我和WPS都是生產者。假設咱們倆都開始執行生產者代碼，先去wait(empty)，發現沒有問題，由於empty的初始值爲5。接下來都去執行wait(lock)，這時候就看誰先搶到了。若是我先搶到，我就能夠往隊列里加文件，而後釋放鎖，WPS就能夠接着放文件了。最後我還要把full這個值加一，目的是打印機進程可能在等待。恩，看起來不錯！」
操做系統老大說：「是啊！在多進程下，因爲進程的執行隨時都有可能被打斷，還要保證正確性，不能出一點閃失。這對程序員的挑戰很大，出現了疏漏，很難定位。」
打印進程說：「老大，我注意到wait函數中，若是s 的值 爲0或小於0 ，那個while 循環會一直執行，CPU豈不是一直在忙等？」
「確實是這樣，咱們改進下，讓忙等的進程進入休眠吧，很明顯，這件事還得我作啊」， 操做系統說道。

//把整數型信號量封裝成一個結構體
typedef struct{
  int value;
  struct process *list;//process進程就緒隊列
}semaphore;

wait(semaphore *s){
  s->value--;
  if(s->value < 0){
    把當前進程加到s->list中;
    block();//把進程休眠，放棄cpu
  }
}

signal(semaphore *s){
  s->value++;
  if(s->value <= 0){
    從s->list中取出一個進程p
    wakup(p);//喚醒進程p
  }
}

WPS說:「唉，真是好複雜！不過我想起一個問題，這些wait、signal 能用到咱們內部的線程的同步上嗎？」
「固然能夠，概念上是一致的，都是訪問共享資源的程序，須要作同步和互斥操做，可能表現形式不一樣。」
「難道那些程序員們真的要使用這些wait、signal 編程嗎？多容易出錯啊！」
「通常來講，程序員們所使用的工具和平臺會作抽象和封裝，例如在Java JDK中，已經對線程的同步作了封裝了，對於生產者-消費者問題，能夠直接使用BlockingQueue。很是簡單，徹底不用你去考慮這些wait、signal、full、empty。」

//創建一個隊列，其中隊列中已經對wait和signal操做作了封裝
BlockingQueue queues = new LinkedBlockingQueue(10);

生產者:
//若是隊列滿，線程自動阻塞，直到有空閒位置
queues.put(xxx);

消費者:
//若是隊列空，線程自動阻塞，直到有數據到來
queues.take();

WPS說：「果真是抽象大法好，這多簡單啊。」

操做系統說：「是啊！不管是什麼東西，抽象之後用起來好多了。可是仍是要了解底層，這樣出現了相似於BlockingQueue這樣的新概念， 你能迅速搞明白。」

（完）

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