信号量与进程线程间同步与互斥

基本思想是将每个共享变量与一个信号量 s(初始化为一个整数 n) 联系起来，然后用 P(s) 和 V(s) 操作将相应的临界区包围起来。

s 的初始值决定了这个资源可以同时被 n 个进程使用

n=1 时的信号量成为互斥锁(mutex)，P(s) 和 V(s)相应的成为加锁和解锁，信号量操作确保了对临界区的互斥访问。

除了提供互斥之外，信号量的另外一个重要作用是用来调度对共享资源的访问，即一个线程用信号量来通知另一个线程，线程状态中的某个条件已经为真了。

生产者消费者问题也称为有限缓冲问题，是一个多线程同步问题的经典案例。该问题描述了共享固定大小缓冲区的两个线程——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。

要解决该问题，就必须让生产者在缓冲区满时休眠（要么干脆就放弃数据），等到下次消费者消耗缓冲区中的数据的时候，生产者才能被唤醒，开始往缓冲区添加数据。同样，也可以让消费者在缓冲区空时进入休眠，等到生产者往缓冲区添加数据之后。

经典进程同步问题1：生产者-消费者问题

有读者和写者两组并发进程，共享一个文件，当两个或以上的读进程同时访问共享数据时不会产生副作用，但若某个写进程和其他进程（读进程或写进程）同时访问共享数据时则可能导致数据不一致的错误。因此要求：①允许多个读者可以同时对文件执行读操作；②只允许一个写者往文件中写信息；③任一写者在完成写操作之前不允许其他读者或写者工作；④写者执行写操作前，应让已有的读者和写者全部退出。

经典进程同步问题2：读者-写者问题

假如我们把整条道路看成是一个【进程】的话，

那么马路中间白色虚线分隔开来的各个车道就是进程中的各个【线程】了。

①这些线程(车道)共享了进程(道路)的公共资源(土地资源)。

②这些线程(车道)必须依赖于进程(道路)，也就是说，线程不能脱离于进程而存在(就像离开了道路，车道也就没有意义了)。

③这些线程(车道)之间可以并发执行(各个车道你走你的，我走我的)，也可以互相同步(某些车道在交通灯亮时禁止继续前行或转弯，必须等待其它车道的车辆通行完毕)。

④这些线程(车道)之间依靠代码逻辑(交通灯)来控制运行，一旦代码逻辑控制有误(死锁，多个线程同时竞争唯一资源)，那么线程将陷入混乱，无序之中。

⑤这些线程(车道)之间谁先运行是未知的，只有在线程刚好被分配到CPU时间片(交通灯变化)的那一刻才能知道

注：

由于用于互斥的信号量sem与所有的并发进程有关，所以称之为公有信号量。公有信号量的值反映了公有资源的数量。只要把临界区置于P(sem)和V(sem)之间，即可实现进程间的互斥。就象火车中的每节车厢只有一个卫生间，该车厢的所有旅客共享这个公有资源：卫生间，所以旅客间必须互斥进入卫生间，只要把卫生间放在P(sem)和V(sem)之间，就可以到达互斥的效果。

信号量是一个被线程共享的非负变量。信号量是一个发信号的机制。一个等待一个信号量的线程可以被其他线程通知（signal）。这个机制通过 wait 和 signal 两个原子操作（atomic operations）来实现进程同步。

一个信号量要么允许访问资源，要么不允许访问资源。二者只能选其一。而具体是哪一种，则要看设置。

详情可参考《 信号量：二进位信号量和计数信号量 》这篇文章。

互斥锁其实是一个对象。Mutex的全称是Mutual Exclusion Object，也就是互斥锁是一个互斥对象。它是一种特殊的二进位信号量（binary semaphore），用来控制访问共享区域资源。它包括一个优先级继承机制，以避免扩展的优先级反转问题。它允许当前优先级较高的任务在阻塞状态下维持的时间尽可能的少。然而，优先级继承并不能完全避免优先级反转，而只会最小化其影响。

对于单个缓冲区（single buffer），我们可以将4kb缓冲区分成四个1kb缓冲区。信号量可以与这四个缓冲区相关联。这允许用户和生产者同时处理不同的缓冲区。

互斥锁用于提供互斥，它使得拥有钥匙（key or mutex）的生产者才能访问资源。只要生产者占用了缓冲区（buffer），用户必须等待，反之亦然。在互斥锁的机制中，整块缓冲区始终只能提供给一个线程访问。

下面列举信号量的优点：

下面列举互斥锁的优点：

下面列举信号量的缺点：

下面列举互斥锁的缺点：

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