信号量机制

信号量用于互斥

P(S)         临界区       V(S)        -----P(S)临界区   V(S)    生产者消费者：typedef int semaphore  //信号量值设置为1就是互斥量semaphore mutex = 1; //同一时刻只有一个进程可以读写缓冲区semaphore empty = N; //“空”的数目，缓冲区空消费者停下semaphore full = 0;  //“满”的数目，缓冲区满生产者停下//full+empty == N    //p(empty):生产一件，empty减1，full加1，如果empty为空被阻塞//p(full):消费一件，full减1，empty加1，如果full为空被阻塞生产者：                while(true)               p(empty)                    p(mutex)                    one>>buffer                 v(mutex)                    v(full)                 消费者：while(true)    p(full)    p(mutex)    one<

信号量用于同步

P(S)             代码A    ------代码BV(S)    //代码B执行后A再执行sem.wait()    代码A------代码Bsem.signal()信号量实现线程A和B的汇合，保证a1永远在b2前，b1永远在a2前a1                          aArrive.signal              bArrive.wait                a2                          ---------------b1bArrive.signalaArrive.waitb2

信号量用于多路复用

semaphore multiplex = n; //使得n个线程能同时在临界区multiplex.wait    临界区multiplex.signal

屏障Barriers

int n;  //线程数int count = 0;  //到达汇合点的线程数semaphore mutex = 1; //保护count的访问semaphore barrier = 0;  //所有线程到达前都是0，到达后取正p(mutex)count = count + 1v(mutex)if(count == n) v(barrier)  //第n个进程到来，随机唤醒一个等待进程p(barrier)   //前n-1个进程在此排队v(barrier)   //一旦线程被唤醒，有责任唤醒下一个线程

AND型信号量机制

将进程需要的所有共享资源一次全部分配给它；待该进程使用完后再一起释放//每次申请di个资源，当资源数少于ti时不予分配原语SP(S1,t1,d1;...;Sn,tn,dn);     if(S1>=t1 and ... and Sn>=tn)        for i := 1 to n do            Si := Si - di        endfor    else        wait in Si        原语SV(S1,d1;...;Sn,dn);    for i := 1 to n do        Si := Si + di;        wake waited process    endfor    SP(S,1,1):互斥信号量SP(S,1,0):开关控制(S>=1时允许多进程进入临界区，S=0时禁止任何进程进入)

管程

public class ProducerConsumer{    static final int N = 100;  //constant giving the buffer size    static producer p = new producer();     static consumer c = new consumer();    static our_monitor mon = new our_monitor();        public static void main(String args[]){        p.start();        c.start();    }        staic class producer extends Thread {        public void run(){            int item;            while(true){                item = produce_item();                mon.insert(item);            }        }        private int produce_item(){...}    }        static class consumer extends Thread {        public void run(){            int item;            while(true){                item = mon.remove();                consume_item (item);            }        }        private void consume_item(int item){...}           }        static class our_monitor{        private int buffer[] = new int[N];        private int count=0, lo=0, hi=0;                  public synchronized void insert(int val){            if(count == N){ try{wait();} catch(...){...} }            buffer[hi] = val;            hi = (hi + 1) % N;            count ++;            if(count == 1)notify();         }                public synchronized void remove(){            int val;            if(count == 0){ try{wait();} catch(...){...} }            val = buffer[lo];            lo = (lo + 1) % N;            count --;            if(count == N-1)notify();            return val;        }         }}

管道通信

无名管道，杀死一个叫conky的进程：ps aux | grep conky | grep-v grep| awk '{print $2}' | xargs kill ps aux:显示所有进程grep conky:查找所有包含conky的进程grep -v grep：删除上述包含grep的进程(因为上面的grep指令也是一个进程)awk '{print $2}':取出进程信息条的第二个参数，也就是进程IDxargs kill: kill上述ID对应的进程

经典进程同步问题

生产者-消费者

生产者消费者：typedef int semaphore  //信号量值设置为1就是互斥量semaphore mutex = 1; //同一时刻只有一个进程可以读写缓冲区semaphore empty = N; //“空”的数目，缓冲区空消费者停下semaphore full = 0;  //“满”的数目，缓冲区满生产者停下//full+empty == N    //p(empty):empty减1操作，如果empty为空被阻塞生产者：                while(true)            p(empty)                p(mutex)                one>>buffer             v(mutex)                v(full)                 ----------    消费者：while(true)p(full)p(mutex)one<

生产者-消费者（拓展1）

描述：银行有n个服务柜台。每个顾客进店后先取一个号并等待叫号。当一个柜台人员空闲下来时，就叫下一个号

问题：设计一个使柜台人员和顾客同步的算法

思路：

• 生产者：顾客
• 消费者：n个服务柜台

通过信号量同步int next_cstmr = 0; //下一个要服务的客户编号Semaphore s_mutex = 1; //服务器进程互斥访问next_cstmrSemaphore cstmr_cnt = 0; //正在等待的客户数process servers i //(i = 1, 2, 3 ..., n)while(true){    p(s_mutex)    p(cstmr_cnt)    next_cstmr ++    v(s_mutex)    ...    //为持有next_cstmr的客户服务    ...}process customer i{       v(cstmr_cnt)}

通过变量取值同步int cstmr_id = 0; //当前客户编号semaphore mutex = 1; //对cstmr_id互斥访问int next_cstmr = 0; //下一个要服务客户编号semaphore s_mutex = 1; //服务器进程互斥访nexy_cstmrprocess customer i{    p(mutex)        cstmr_id++    v(mutex)}process servers i{    while(true){        p(s_mutex)        p(mutex)            if(next_cstmr < cstmr_id)                next_cstmr ++        v(mutex)        v(s_mutex)        ...        //为next_cstmr号码持有者服务        ...    }}

生产者-消费者（拓展2）

描述：一个可以装A、B两种物品的仓库,其容量无限大,但 要求仓库中A、B两种物品的数量满足下述不等式: -M ≤ A物品数量 - B物品数量 ≤N

semaphore mutex = 1;semaphore sa = N;semaphore sb = M;procedure A:                    while(true)                         p(sa)                           p(mutex)                    A产品入库                       v(mutex)                        v(sb)   ------------procedure B:while(true)    p(sb)    p(mutex)    B产品入库    v(mutex)    v(sa)

生产者-消费者（拓展3）

描述：系统中有多个生产者进程和消费者进程，共享用一个可以存1000个产品的缓冲区（初始为空），当缓冲区为未满时，生产者进程可以放入一件其生产的产品，否则等待；当缓冲区为未空时，消费者进程可以取走一件产品， 否则等待。要求一个消费者进程从缓冲区连续取出10件产品后，其他消费者进程才可以取产品。

buffer array [1000]; //存放产品的缓冲区 buffer nextp; //用于临时存放生产者生产的产品 buffer nextc [10]; //用于临时存放消费者取出的产品 semaphore empty = 1000; //空缓冲区的数目 semaphore full = 0; //满缓冲区的数目 semaphore mutex1 = 1; //用于生产者之间的互斥，以及生产者消费者互斥 semaphore mutex2 = 1; //用于消费者之间的互斥int in = 0; //指示生产者的存位置 int out = 0; //指示消费者的取位置 Producer() //生产者进程 {     Produce an item put in nextp; //生产一个产品，存在临时缓冲区     P(empty); //申请一个空缓冲区     P(mutex1); //生产者申请使用缓冲区     array[in]=nextp; //将产品存入缓冲区     in = (in+1)%1000; //指针后移     V(mutex1); //生产者缓冲区使用完毕，释放互斥信号量     V(full); //增加一个满缓冲区 }Consumer() //消费者进程 {     P(mutex2); //消费者申请使用缓冲区     for(int i = 0;i<10;i++) //一个消费者进程需从缓冲区连续取走 10 件 产品     {         P(full); //申请一个满缓冲区         P(mutex1) //互斥生产者         nextc[i] = array[out]; //将产品取出，存于临时缓冲区         out = (out+1)%1000; //指针后移         V(mutex1) //解除生产者互斥         V(empty); //增加一个空缓冲区     }     V(mutex2); //消费者缓冲区使用完毕，释放互斥信号量     Consume the items in nextc; //消费掉这10个产品 }

读写者问题(开关灯模式)

描述：对共享资源的读写操作，任一时刻“写者” 最多只允许一个，而“读者”则允许多个――“读－写”互斥，“写 - 写”互斥，“读－读”允许。第一个进屋的人开灯，最后一个离开屋的人关灯。

应用场景： 对共享数据结构、数据库、文件的多线程并发访问

问题：系统负载高的时候，写者几乎没有机会工作

int readers = 0  //临界区内读者的数目semaphore mutex = 1  //对readers的访问保护semaphore roomEmpty = 1 //1：临界区没有线程，0：临界区有线程读者：                                           p(mutex)                                            readers++;                                          if(readers == 1) //第一个读者进房间，如果里面有写者,需等写者写完房间为空才能读        p(roomEmpty) //房间里已有读者时,就说明房间里已经没有写者,就无需等房间为空时再读v(mutex)read... //临界区p(mutex)    reader--;    if(readers == 0)        v(roomEmpty)v(mutex)写者：p(roomEmpty) //房间不为空,要等待    write... //临界区v(roomEmpty) //写完后出房间了,告诉所有人房间空了    采用一般信号量机制： RN:同时读的读者最大数目   mx：允许写，初值为1    L：允许读者数目，初值RNwriter:                             SP(mx,1,1;L,RN,0)                       write                               SV(mx,1)                            -------Reader：SP(L,1,1;mx,1,0)    readSV(L,1)

闸机版的读写问题:当一个写者到达， 已进入的读者可以结束，但是新的读者无法进入

int readers = 0  //临界区内读者的数目semaphore mutex = 1  //对readers的访问保护semaphore roomEmpty = 1 //1：临界区没有线程，0：临界区有线程semaphore turnstile = 1 //闸机 读者：                                         p(turnstile)                                 v(turnstile)                                    p(mutex)                                                readers++;                                    if(readers == 1) //第一个读者                       p(roomEmpty)v(mutex)read... //临界区p(mutex)    reader--;    if(readers == 0)        v(roomEmpty)v(mutex)----------写者：p(turnstile)    p(roomEmpty)        write... //临界区    v(roomEmpty)v(turnstile)

理发师问题

描述：理发店里有一位理发师、一把理发椅和n把供等候理发的顾客坐的椅子；如果没有顾客，理发师便在理发椅上睡觉，当一个顾 客到来时，叫醒理发师；如果理发师正在理发时，又有顾客来到，则如果有空椅子可坐，就坐下来等待，否则就离开。

semaphore customers = 0; //等待理发的顾客 semaphore barbers = 0; //等待顾客的理发师 int waiting = 0; //等待的顾客数(不包含正在理发的顾客)semaphore mutex = 1; //互斥访问waiting//CHIRS = 10理发师线程：                      while(true){                        p(customers)//顾客为0，睡觉           p(mutex)                                    waiting --;                         v(mutex)                                v(barbers)  //准备好剪发                  Cut hair();                         }                                   ---------------                                     顾客线程：p(mutex)    if(waiting

构建水分子问题

描述：一个线程提供氧原子，一个提供氢原子。为构建水分子，需要使用barrier让线程同步从而构建水分子

信号量定义：oxygen = 0; //counterhydrogen = 0; //countermutex = 1; //protect the counterBarrier barrier(3) //3表示需要调用3次wait后barrier才开放oxyQueue = 0; //氧气线程等待的信号量hydroQueue = 0; //氢气线程等待的信号量//信号量上睡眠来模拟队列P(oxyQueue) //加入队列V(oxyQueue) //离开队列//氧气线程P(mutex)oxygen += 1if hydrogen >= 2 //构建水分子成功    V(hydroQueue)    V(hydroQueue)    hydrogen -= 2    V(oxyQueue)    oxygen -= 1else:    V(mutex)P(oxyQueue)bond()  //原子组合操作barrier.wait()V(mutex)//当三个线程离开barrier时候，最后那个线程拿着mutex， 虽然我们不知道那个线程hold mutext，但是我们一定要释放一次。 因为氧气只有一个线程，就放在氧气线程中做了。        //氢气线程P(mutex)hydrogen += 1if hydrogen >= 2 and oxygen >=1 //构建水分子成功    V(hydroQueue)    V(hydroQueue)    hydrogen -= 2    V(oxyQueue)    oxygen -= 1else:    V(mutex)P(oxyQueue)bond()  //原子组合操作barrier.wait()

吸烟者问题

描述：三个吸烟者在一间房间内，还有一个香烟供应者。为了 制造并抽掉香烟，每个吸烟者需要三样东西：烟草、纸 和火柴。供应者有丰富的货物提供。三个吸烟者中，第一个有自己的烟草，第二个有自己的纸，第三个有自己的火柴。供应者随机选择两样东西放在桌子上，允许欠缺相应两样材料一个吸烟者吸烟。当吸烟者完成吸烟后唤醒供应者，供应者再放两样东西（随机地）在桌面上，然后唤醒另一个吸烟者。如此往复。 问题的目标是当资源足够让一个或者多个应用继续，这些应用应该被唤醒。 反之，让应用继续睡眠。

isTobacco = isPaper = isMatch = False//表示材料是否在桌子上 agentSem = Semaphore (1) //表示唤醒/睡眠提供者的信号量 tobacco = Semaphore (0) //表示烟草可用 paper = Semaphore (0) //表示纸可用 match = Semaphore (0) //表示火柴可用tobaccoSem = Semaphore (0) //用于通知拥有tobacco的吸烟者 paperSem = Semaphore (0) //用于通知拥有paper的吸烟者 matchSem = Semaphore (0) //用于通知拥有match的吸烟//PusherA/B/C是三个帮助线程，他们响应agent的信号，记录可用材料，通知相应吸烟者pusherA:tobacco.wait()mutex.wait()    if isPaper:         //如果发现已经有paper(加上有tobacco)        isPaper = False //唤醒smoker with match        matchSem.signal()    else isMatch:        isMatch = False        paperSem.signal()    else        isTobacco = True //如果它是第一个醒来，就会设置isTobacco为真mutex.signal()---------------Agent A://同时放了to和pa         agentSem.wait()//睡眠提供者      tobacco.signal()                paper.signal()                  ---------------                         Smoker with match:matchSem.wait()makeCigarette()agentSem.signal()//唤醒提供者smoke()