Lab7：同步互斥

并发进程的正确性

• 独立进程

1. 不和其他进程共享资源或状态
2. 确定性 -> 输入状态决定结果
3. 可重现 -> 能够重现起始条件
4. 调度顺序不重要

• 并发进程

1. 在多个进程间有资源共享
2. 不确定性
3. 不可重现

• 并发进程的正确性

• 执行过程是不确定性和不可重现的

• 程序错误可能是间歇性发生的

并发的好处

• 共享资源
• 加速
• 模块化

同步问题

时间	A	B
3：00	查看冰箱，没有面包
3：05	离开家去商店
3：10	到达商店	查看冰箱，没有面包了
3：15	购买面包	离开家去商店
3：20	到家，把面包放进冰箱	到达商店
3：25		购买面包
3：30		到家，把面包放进冰箱

解决

利用两个原子操作实现一个锁(lock)
Lock.Acquire()
在锁被释放前一直等待，然后获得锁
如果两个线程都在等待同一个锁，并且同时发现锁被释放了，那么只有一个能够获得锁

breadlock.Acquire();    //进入临界区
if (nobread) {
    buy bread;          //临界区
}
breadlock.Release();    //退出临界区

进程的交互关系：相互感知程度

相互感知的程度	交互关系	进程间的影响
相互不感知（完全不了解其它进程的存在）	独立	一个进程的操作对其他进程的结果无影响
间接感知（双方都与第三方交互，如共享资源）	通过共享进行协作	一个进程的结果依赖于共享资源的状态
直接感知（双方直接交互，如通信）	通过通信进行协作	一个进程的结果依赖于从其他进程获得的信息

临界区(Critical Section)

• 进程中访问临界资源的一段需要互斥执行的代码
• 检查可否进入临界区的一段代码
• 如可进入，设置相应"正在访问临界区"标志
• 如可进入，设置相应"正在访问临界区"标志

实现方法

• 禁用中断

进入临界区，禁止所有中断，并保存标志，离开临界区，使能所有中断，并恢复标志，没有中断，没有上下文切换，因此没有并发

但是禁用中断后，进程无法被停止，整个系统都会为此停下来，可能导致其他进程处于饥饿状态

• 基于软件的同步解决方法

Peterson算法实现

do {
      flag[i] = true;
      turn = j;
      while ( flag[j] && turn == j);

            CRITICAL SECTION

      flag[i] = false;

            REMAINDER SECTION

   } while (true);

• 更高级的抽象方法

1. 锁(lock)

锁是一个抽象的数据结构，一个二进制变量（锁定/解锁），Lock::Acquire()，锁被释放前一直等待，然后得到锁，释放锁，唤醒任何等待的进程

2. 原子操作指令

测试和置位（Test-and-Set ）指令，从内存单元中读取值，测试该值是否为1（然后返回真或假），内存单元值设置为1

boolean TestAndSet (boolean *target)‏
          {
               boolean rv = *target;
               *target = true;
               return rv:
          }

交换指令（exchange）

 void Exchange (boolean *a, boolean *b)‏
          {
               boolean temp = *a;
               *a = *b;
               *b = temp:
          }

使用TS指令实现自旋锁(spinlock)

Lock::Acquire() {
   while (test-and-set(value))
      ; //spin
}

信号量

信号量是操作系统提供的一种协调共享资源访问的方法，软件同步是平等线程间的一种同步协商机制，OS是管理者，地位高于进程，用信号量表示系统资源的数量

信号量是一种抽象数据类型

由一个整形 (sem)变量和两个原子操作组成

P() (Prolaag （荷兰语尝试减少）)

• sem减1
• 如sem<0, 进入等待, 否则继续

V() (Verhoog （荷兰语增加）)

• sem加1
• 如sem≤0,唤醒一个等待进程

classSemaphore {
      int sem;
      WaitQueue q;
}

Semaphore::P() {
   sem--;
   if (sem < 0) {
        Add this thread t to q;
        block(p);
     }
}

Semaphore::V() {
    sem++; 
    if (sem<=0) {
        Remove a thread t from q;
        wakeup(t);        
    }
}

用信号量实现临界区的互斥访问

必须成对使用P()操作和V()操作

mutex = new Semaphore(1);

mutex->P();
Critical Section;
mutex->V();

用信号量实现条件同步

condition = new Semaphore(0);

A:
condition->P();

B:
condition->V();

生产者-消费者问题

Class BoundedBuffer {
    mutex = new Semaphore(1);
    fullBuffers = new Semaphore(0);
    emptyBuffers = new Semaphore(n);
}

BoundedBuffer::Deposit(c) {
    emptyBuffers->P(); 
    mutex->P(); 
    Add c to the buffer;
    mutex->V();
    fullBuffers->V();
}

BoundedBuffer::Remove(c) {
    fullBuffers->P();
    mutex->P();
    Remove c from buffer;
    mutex->V();
    emptyBuffers->V();
}

管程（Moniter）

管程是一种用于多线程互斥访问共享资源的程序结构，采用面向对象方法，简化了线程间的同步控制，任一时刻最多只有一个线程执行管程代码，正在管程中的线程可临时放弃管程的互斥访问，等待事件出现时恢复

组成

• 一个锁

  控制管程代码的互斥访问

• 0或者多个条件变量

  管理共享数据的并发访问

条件变量

• 条件变量是管程内的等待机制

  进入管程的线程因资源被占用而进入等待状态，每个条件变量表示一种等待原因，对应一个等待队列

• Wait()操作

  将自己阻塞在等待队列中，唤醒一个等待者或释放管程的互斥访问

• Signal()操作

  将等待队列中的一个线程唤醒，如果等待队列为空，则等同空操作

生产者和消费者问题

classBoundedBuffer {
    …
    Lock lock;
    int count = 0;
    Condition notFull, notEmpty;
}

BoundedBuffer::Deposit(c) {
    lock->Acquire();
    while (count == n)
        notFull.Wait(&lock);
    Add c to the buffer;
    count++;
    notEmpty.Signal();
    lock->Release();
}

BoundedBuffer::Remove(c) {
    lock->Acquire();
    while (count == 0)    
      notEmpty.Wait(&lock);
    Remove c from buffer;
    count--;
    notFull.Signal();
    lock->Release();
}

管程实现哲学家就餐问题

typedef struct monitor{
    semaphore_t mutex;      // 二值信号量，只允许一个进程进入管程，初始化为1
    semaphore_t next;       //配合cv，用于进程同步操作的信号量
    int next_count;         // 睡眠的进程数量
    condvar_t *cv;          // 条件变量cv
} monitor_t;

typedef struct condvar{
    semaphore_t sem; //用于发出wait_cv操作的等待某个条件C为真的进程睡眠
    int count;       // 在这个条件变量上的睡眠进程的个数
    monitor_t * owner; // 此条件变量的宿主管程
} condvar_t;

管程中的条件变量cv通过执行wait_cv，会使得等待某个条件C为真的进程能够离开管程并睡眠，且让其他进程进入管程继续执行；而进入管程的某进程设置条件C为真并执行signal_cv时，能够让等待某个条件C为真的睡眠进程被唤醒，从而继续进入管程中执行。发出signal_cv的进程A会唤醒睡眠进程B，进程B执行会导致进程A睡眠，直到进程B离开管程，进程A才能继续执行，这个同步过程是通过信号量next完成的；而next_count表示了由于发出singal_cv而睡眠的进程个数。

void
cond_signal (condvar_t *cvp) {
   cprintf("cond_signal begin: cvp %x, cvp->count %d, cvp->owner->next_count %d
", cvp, cvp->count, cvp->owner->next_count);
     if(cvp->count>0) {  //当前存在睡眠的进程
        cvp->owner->next_count ++;//睡眠的进程总数加一
        up(&(cvp->sem));//唤醒等待在cv.sem上睡眠的进程
        down(&(cvp->owner->next));//把自己睡眠
        cvp->owner->next_count --;//睡醒后等待此条件的睡眠进程个数减一
      }
   cprintf("cond_signal end: cvp %x, cvp->count %d, cvp->owner->next_count %d
", cvp, cvp->count, cvp->owner->next_count);
}

将指定条件变量上等待队列中的一个线程进行唤醒，并且将控制权转交给这个进程

void
cond_wait (condvar_t *cvp) {
    //LAB7 EXERCISE1: YOUR CODE
    cprintf("cond_wait begin:  cvp %x, cvp->count %d, cvp->owner->next_count %d
", cvp, cvp->count, cvp->owner->next_count);
      cvp->count++;//需要睡眠的进程个数加一
      if(cvp->owner->next_count > 0)
         up(&(cvp->owner->next));//唤醒进程链表中的下一个进程
      else
         up(&(cvp->owner->mutex));//否则唤醒睡在monitor.mutex上的进程
      down(&(cvp->sem));//将自己睡眠
      cvp->count --;//睡醒后等待此条件的睡眠进程个数减一
    cprintf("cond_wait end:  cvp %x, cvp->count %d, cvp->owner->next_count %d
", cvp, cvp->count, cvp->owner->next_count);
}

函数的功能为将当前进程等待在指定信号量上，其操作过程为将等待队列的计数加1，然后释放管程的锁或者唤醒一个next上的进程来释放锁，然后把自己等在条件变量的等待队列上，直到有signal信号将其唤醒，正常退出函数

void phi_take_forks_condvar(int i) {
     down(&(mtp->mutex));  //通过P操作进入临界区
      state_condvar[i]=HUNGRY; //记录下哲学家i是否饥饿，即处于等待状态拿叉子
      phi_test_condvar(i);
      while (state_condvar[i] != EATING) {
          cprintf("phi_take_forks_condvar: %d didn't get fork and will wait
",i);
          cond_wait(&mtp->cv[i]);//如果得不到叉子就睡眠
      }
      //如果存在睡眠的进程则那么将之唤醒
      if(mtp->next_count>0)
         up(&(mtp->next));
      else
         up(&(mtp->mutex));
}

void phi_put_forks_condvar(int i) {
     down(&(mtp->mutex));//通过P操作进入临界区

      state_condvar[i]=THINKING;//记录进餐结束的状态
      phi_test_condvar(LEFT);//看一下左边哲学家现在是否能进餐
      phi_test_condvar(RIGHT);//看一下右边哲学家现在是否能进餐
      //如果有哲学家睡眠就予以唤醒
     if(mtp->next_count>0)
        up(&(mtp->next));
     else
        up(&(mtp->mutex));
}

最后的实现