真正的知識是深入淺出的，碼農翻身” 公共號將苦澀難懂的計算機知識，用形象有趣的生活中實例呈現給我們，讓我們更好地理解。
本文源地址：那些煩人的同步和互斥問題
1、批處理和脫機打印
打印機程序，准確的說是打印機進程，在這個批處理系統中生活得非常自在，它所在的機器叫做IBM1401，除了打印之外什么也不干，每天大部分時間都是歇着。
這個系統還有兩台機器，一台還是IBM1401，它專門收集程序員寫出來的穿孔卡片，然后轉成磁帶。 然后，操作員把磁帶輸入到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。 最后磁帶被拿到1401上進行打印， 這叫做脫機打印（不和7094相連接）。如下圖：
圖一、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，磁帶上需要打印的東西都是順序的，一個接一個打印就可以了，完全沒有沖突的問題。這是沒辦法的事情，那時候的計算機，尤其是IBM 7094太過昂貴，要充分的利用它的每一分每一秒，然后就想出了這樣一個收集程序，然后成批處理的點子。
2、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，電腦越來越便宜，最后每個人的桌子上都有一台電腦了。個人電腦的計算能力更是強大的驚人，打印程序也被集成進了個人電腦里，和其他各種各樣的程序生活在一起。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，這時候沖突就會產生。 因為只有一個打印機，到底先打印誰的文檔就是個大問題。最后操作系統老大想了個辦法，專門開辟了一塊空間，誰要想打印的話就按照先來后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，會周期性的檢查是否有文件打印，如果有則取出隊伍排頭的，打印出來，然后刪除隊列中文件。打印進程覺得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，所以就叫做假脫機打印。
圖二、假脫機打印
3、沖突
但是這個隊列可不是原來的磁帶了，它完全是個動態變化的東西，試運行還不到20秒，沖突就出現了。
WPS氣沖沖的來着打印機進程：“打印機，你怎么搞的？我的放假通知.wps 為什么沒有打印？”
打印機：“我沒看到什么放假通知.wps啊！”
WPS：“我明明放在了編號為3的槽里，怎么可能沒有了？”
在操作系統老大的協助下，大家查了半天，才知道是Word引起的：
當時Word 插了一腳，也進來打印，讀到了in = 3，就是說隊列中編號為3的槽是空着的，他把3這個值放到了自己的局部變量free_slot中，這時候發生了一次時鍾中斷，操作系統老大認為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 也存到自己的局部變量free_slot中，現在Word和WPS都認為下一個空的槽是3！
WPS接着干活，他把文件放到了第3號槽里，並且把in 改為4，然后離開了。接下來又輪到Word運行了，它發現free_slot 為3，就把文件也放到了第3號槽里，把free_slot 加1，得到4，存入in 中。可憐的WPS，他的文件被覆蓋掉了。
但是打印機程序啥也察覺不出來，照樣打印不誤。
圖三、沖突
4、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，最后的結果嚴重依賴於進程運行的精確次序，這次是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段叫做臨界區。代碼在進入臨界區之前一定要做好同步或者互斥的操作。
WPS說：“老大，當時你切換Word的時候是不是發生了一次時鍾中斷 ？”
操作系統：“是啊，有了時鍾中斷我才能計算時間，然后做進程切換啊！”
“那在訪問這個in共享變量的時候，我們自己能不能把這個中斷給屏蔽？這樣就不會有進程切換，肯定沒問題了。” Word問道。
“你想的美，時鍾中斷是最基本的東西，我把這個權限給了你們應用程序，到時候那個家伙屏蔽以后忘記開中斷，我們整個系統就要完蛋了！” 操作系統狠狠的瞪了Word 一眼，Word趕緊噤聲。
“不過我聽說有些機器提供了一個特別的指令，這個指令能檢查並且設置內存的值，而不會被打斷，叫做TestAndSet，如果用C語言描述的話，類似這樣：”
bool TestAndSet(bool *lock){ bool rv = *lock; *lock = true; return tv; }
“需要注意的是，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。你們要是想用的話可以這樣用：”
bool lock = false; while(TestAndSet(&lock)){ ;//什么也不做 } 臨界區; lock = false; 剩余區;
WPS說：“看起來有點復雜，讓我想想啊，我和Word 的臨界區代碼，就是‘訪問in變量，放入待打印文件，然后把in 加1’ 。那在進入臨界區之前，我們倆都會調用TestAndSet。如果是我先調用，lock會被置為true，函數就會返回false。我就跳出了循環，可以進行后續臨界區操作了，而Word 在調用 TestAndSet的時候，函數一直返回true，他只好不停的在這里循環了。”
“是啊！”，Word 接着說，“我會不停的循環，直到WPS 離開臨界區，然后把lock置為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 進行互斥操作。”
操作系統說： “是的，實現了你們兩個的互斥，但是並不是所有的機器都會提供這樣的指令，所以也不通用。”
5、生產者-消費者
打印機進程說：“你們討論了半天，只是解決了兩個進程往隊列里放文件的沖突問題，現在也得考慮考慮我了。”
“有你啥事？”，Word和WPS 都不以為然。
“你們想想，那個打印隊列對5個‘槽’，要是滿了就沒法往里邊放了，你們都得等；要是空了，我就得等你們往里邊放東西，所以咱們之間是不是也得同步？”
“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。
“那用剛才那個鎖好像不行啊，它能搞定互斥，但是做多個進程的同步就有點力不從心了。”
操作系統老大說：“聽說荷蘭有個叫Dijkstra的，發明了一個信號量（semaphore）的東西，能解決這個問題。”
圖四、科學家Dijkstra.
“信號量是什么鬼？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作：wait 和 signa。”
int s; wait(s){ while(s <= 0){ ;//什么也不做 } s--; } signal(s){ s++; }
“這....這....這是啥玩意兒，這么簡單，能解決啥問題？再說了你看看這s++、s--和我們隊列中的in、out不是一樣嗎？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”，操作系統老大說，“ 我會在內核實現wait 和signal，讓你們調用，比如我在做s++、s-- 時，我可以屏蔽中斷。”
Word說：“這個簡單的小東西有點意思，比如我們倆可以用它做互斥：”
int lock = 1; wait(lock); 臨界區; signal(lock); 剩余區;
打印進程說：“既然信號量是個整數，也許可以解決我們消費者-生產者直接的同步問題。”
int lock = 1; int empty = 5; int full = 0; 生產者: while(true){ //如果empty的值小於等於0，生產者只好等待 wait(empty); //加鎖（因為要操作隊列，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:“我的天，真是復雜啊，容我想想，我和WPS都是生產者。假設我們倆都開始執行生產者代碼，先去wait(empty)，發現沒有問題，因為empty的初始值為5。接下來都去執行wait(lock)，這時候就看誰先搶到了。如果我先搶到，我就可以往隊列里加文件，然后釋放鎖，WPS就可以接着放文件了。最后我還要把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！”
操作系統老大說：“是啊！在多進程下，由於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，如果s 的值 為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，我們改進下，讓忙等的進程進入休眠吧，很明顯，這件事還得我做啊”， 操作系統說道。
//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，真是好復雜！不過我想起一個問題，這些wait、signal 能用到我們內部的線程的同步上嗎？”
“當然可以，概念上是一致的，都是訪問共享資源的程序，需要做同步和互斥操作，可能表現形式不同。”
“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！”
“一般來說，程序員們所使用的工具和平台會做抽象和封裝，例如在Java JDK中，已經對線程的同步做了封裝了，對於生產者-消費者問題，可以直接使用BlockingQueue。非常簡單，完全不用你去考慮這些wait、signal、full、empty。”
//建立一個隊列，其中隊列中已經對wait和signal操作做了封裝 BlockingQueue queues = new LinkedBlockingQueue(10); 生產者: //如果隊列滿，線程自動阻塞，直到有空閑位置 queues.put(xxx); 消費者: //如果隊列空，線程自動阻塞，直到有數據到來 queues.take();
WPS說：“果然是抽象大法好，這多簡單啊。”
操作系統說：“是啊！無論是什么東西，抽象以后用起來好多了。但是還是要了解底層，這樣出現了類似於BlockingQueue這樣的新概念， 你能迅速搞明白。”
（完）
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