信号量
背景
信号量（semaphore）
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抽象数据类型
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一个整形（sem），两个原子操作
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P()：sem减1，如果sem<0，等待，否则继续
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V()：sem加1，如果sem<=0，唤醒一个等待的P
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信号量使用
特性
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信号量是被保护的整数变量
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初始化完成后，只能通过P()和V()操作修改
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由操作系统保证，PV操作是原子操作
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P()可能阻塞，V()不会阻塞
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通常假定信号量是”公平的“
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线程不会被无限期阻塞在P()操作
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假定信号量等待按先进先出排队
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分类
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二进制信号量：可以是0或1
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一般/计数（资源）信号量：可取任何非负值
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两者等价：基于一个可以实现另一个
使用
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互斥访问：临界区的互斥访问控制
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条件同步：线程间的事件等待
生产者-消费者问题
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生成者->缓冲区->消费者
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有界缓冲区的生产者-消费者问题描述
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一个或多个生产者在生成数据后放在一个缓冲区里
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单个消费者从缓冲区取出数据处理
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任何时刻只能有一个生产者或消费者可访问缓冲区
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问题分析
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任何时刻只能有一个线程操作缓冲区（互斥访问）
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缓冲区空时，消费者必须等待生产者（条件同步）
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缓冲区满时，生产者必须等待消费者（条件同步）
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用信号量描述每个约束
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二进制信号量mutex
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资源信号量fullBuffers
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资源信号量emptyBuffers
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class BoundedBuffer{
mutex =new Semaphore(1);
fullBuffers =new Semaphore(0);
emptyBuffers =new Semaphore(n);
}
BoundedBuffer::Producter(c){
emptyBuffers ->P();
mutex ->P();
ADD C TO THE BUFFER;
mutex ->V();
fullBuffers ->V();
}
BoundedBuffer::Consumer(c){
fullBuffers ->P();
mutex ->P();
REMOVE C FROM BUFFER;
mutex ->V();
emptyBuffers ->V();
}
信号量实现
- 实现
class Semaphore{
int sem;
WaitQueue q;
}
Semaphore: P(){
sem--;
if(sem<0){
ADD THIS THREAD t TO q;
block(q);
}
}
Semaphore: V(){
sem++;
if(sem<=0){
REMOVE a THREAD t FROM q;
wakeup(t);
}
}
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困难
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读/开发代码比较困难
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容易出错。使用的信号量已经被另一个线程占用；忘记释放信号量
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不能够处理死锁问题
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管程（Moniter）
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管程是一种用于多线程互斥访问共享资源的程序结构
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采用面向对象方法，简化了线程间的同步控制
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任一时刻最多只有一个线程执行管程代码
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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
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使用
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在对象/模块中，收集相关共享数据
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定义访问共享数据的方法
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组成
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一个锁：控制管程代码的互斥访问
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0或者多个条件变量：管理共享数据的并发访问
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条件变量
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条件变量是管程内的等待机制
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进入管程的线程因资源被抢占而进入等待状态
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每个条件变量表示一种等待原因，对应一个等待队列
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wait()操作
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将自己阻塞在等待队列中
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唤醒一个等待者或释放管程的互斥访问
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signal()操作
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将等待队列中的一个线程唤醒
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如果等待队列为空，则等同空操作
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条件变量实现
class Condition{
int numWaiting =0;
WaitQueue q;
}
Condition::Wait(lock){
numWaiting++;
ADD this thread t to q;
release(lock);
schedule();
require(lock);
}
Condition::Signal(){
if(numWaiting >0){
REMOVE a thread t from q;
wakeup(t);
numWaiting--;
}
}
- 管程解决生产者-消费者问题
class BoundedBuffer {
…
Lock lock;
int count = 0;
Condition notFull, notEmpty;
}
BoundedBuffer::Producter(c) {
lock->Acquire();
while (count == n)
notFull.Wait(&lock);
Add c to the buffer;
count++;
notEmpty.Signal();
lock->Release();
}
BoundedBuffer::Consumer(c) {
lock->Acquire();
while (count == 0)
notEmpty.Wait(&lock);
Remove c from buffer;
count--;
notFull.Signal();
lock->Release();
}
经典同步问题
读者-写者问题
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共享数据的两类使用者
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读者：只读取数据，不修改
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写者：读取和修改数据
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读者-写者问题描述：对共享数据的读写
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读-读允许：同一时刻允许有多个读者同时读
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读-写互斥：没有写者时读者才能读，没有读者时写者才能写
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写-写互斥：没有其它写者时才能写
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信号量方法
class Writer(){
P(WriteMutex);
write;
V(WriteMutex);
}
class Reader(){
P(CountMutex);
if(Rcount ==0)
P(WriteMutex);
++Rcount;
V(CountMutex);
read;
P(CountMutex);
--Rcount;
if(Rcount ==0)
V(WriteMutex);
V(CountMutex);
}
- 管程方法
AR = 0; // # of active readers
AW = 0; // # of active writers
WR = 0; // # of waiting readers
WW = 0; // # of waiting writers
Lock lock;
Condition okToRead;
Condition okToWrite;
//读者
Private Database::StartRead() {
lock.Acquire();
while ((AW+WW) > 0) {
WR++;
okToRead.wait(&lock);
WR--;
}
AR++;
lock.Release();
}
Private Database::DoneRead() {
lock.Acquire();
AR--;
if (AR ==0 && WW > 0) {
okToWrite.signal();
}
lock.Release();
}
Public Database::Read() {
//Wait until no writers;
StartRead();
read database;
//check out – wake up waiting writers;
DoneRead();
}
//写者
Private Database::StartRead() {
lock.Acquire();
while ((AW+WW) > 0) {
WR++;
okToRead.wait(&lock);
WR--;
}
AR++;
lock.Release();
}
Private Database::DoneRead() {
lock.Acquire();
AR--;
if (AR ==0 && WW > 0) {
okToWrite.signal();
}
lock.Release();
}
Public Database::Read() {
//Wait until no writers;
StartRead();
read database;
//check out – wake up waiting writers;
DoneRead();
}
哲学家就餐问题
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问题描述
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5个哲学家围绕一张圆桌而坐
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桌子上放着5支叉子
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每两个哲学家之间放一支
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哲学家的动作包括思考和进餐
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进餐时需同时拿到左右两边的叉子
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思考时将两只叉子放回原处
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