一、進程的並發執行
1. 並發是所有問題產生的基礎。
2. 進程的特征：
並發：進程執行時間斷性的，執行速度是不可預測的；
共享：進程/線程之間的制約性；
不確定性：進程執行的結果和執行的相對速度有關，所以是不確定的；
3. 舉例：
1) 銀行業務系統：進程的關鍵活動出現交叉；
2) get-->copy-->put;
並發環境下執行，時間上，速度上都不確定，執行次序的不同會導致不同的結果。
4. 並發環境的制約關系：進程前趨圖
二、進程互斥（MUTUAL EXCLUSIVE）
1. 競爭條件：兩個或多個進程在讀寫某些共享數據時，而最后的結果取決於進程運行的精確的時序；
2. 進程互斥：由於各個進程要求使用共享資源，而這些資源需要排他性的使用，各個進程之間競爭使用這些資源，這一關系稱為進程互斥；
3. 臨界資源：系統中某些資源一次只希望允許一個進程使用，稱這樣的資源為臨界資源或者互斥資源或共享變量；
4. 臨界區（互斥區）：多個進程中對某個臨界資源實施操作的程序片段；
5. 臨界區的使用原則：
1）如果沒有進程在臨界區，想進入臨界區的進程就可以進入；
2）不允許兩個進程同時處於臨界區內；
3）臨界區外運行的進程不得阻塞其他進程進入臨界區；
4）不得使進程無限期等待進入臨界區；
6. 實現進程互斥的方法：軟件方案、硬件方案；
三、進程互斥的軟件解法
軟件方法：保護臨界區
正確算法：
1. DEKKER算法
2. PETERSON算法（更好）
四、進程互斥的硬件解法
用特殊指令來達到保護臨界區的目的；
1. 開關中斷指令：
1）簡單、高效
2）代價高，限制CPU的並發能力
3）不適用於多處理器
4）適用於操作系統本身，不適用於用戶程序
2. 測試並加鎖指令：
3. 交換指令：
4. 忙等待：進程在得到臨界區訪問權限之前，持續做測試而不做其他事情；（單CPU不提倡）
自旋鎖：（多處理器情況），忙等待就比較好，因為切換的開銷是很大的；
五. 進程同步
1. 進程同步（synchronization）：指系統中多個進程發生的時間存在某種時序關系，需要相互合作，共同完成某一項任務；
進程之間的協作關系；
2. 生產者消費者問題（又稱為緩沖區問題）：
生產者進程-->緩沖區-->消費者進程
只能由一個生產者或者消費者對緩沖區進行操作；
避免忙等待：
睡眠與喚醒操作（原語）：sleep() 與 wakeup() 操作
3. SPOOLing系統：生產者消費者問題
六. 信號量及P、V操作（一種經典的進程同步機制）：
1. 1965荷蘭學者Dijkstrat提出；P與V分別是荷蘭語 test (proberen) 和 increment (verhogen);
信號量：
一個特殊變量，用於在進程間傳遞信息的一個整數值；
定義如下：
struct semaphore{
int count;
queueType queue;
}
信號量說明：semaphore a;
對信號量可以實施的操作：初始化、P操作和V操作；
2. P（down,semWait）、V（up,semSignal）操作
P操作相當於申請資源，而V操作相當於釋放資源。所以要記住以下幾個關鍵字：
P操作----->申請資源
V操作----->釋放資源
P操作：信號量值減1；
然后判斷信號量值是否小於0，如果小於0，則將該進程設置為阻塞狀態；將該進程插入相應的等待隊列s.queue末尾；
否則實施P操作的進程就繼續執行；
V操作：信號量值加1；
如果信號量值<=0，則說明原來信號量上有進程在等待，所以喚醒s.queue中的第一個等待進程；改變其為就緒態，並將其插入就緒隊列；
否則，實施v操作的進程就繼續執行；
3. 說明：
- P操作和V操作是原語操作；
- 信號量上定義了三個操作：初始化（非負數）、P操作和V操作；
- 最初提出的是二元信號量（解決互斥），最后推廣到一半信號量（多值）或計數信號量解決同步；
4. 在理解了PV操作的的含義后，就必須講解利用PV操作可以實現進程的兩種情況：互斥和同步。
1）一個生產者，一個消費者，公用一個緩沖區。
可以作以下比喻：將一個生產者比喻為一個生產廠家，如伊利牛奶廠家，而一個消費者，比喻是學生小明，而一個緩沖區則比喻成一間好又多。
第一種情況，可以理解成伊利牛奶生產廠家生產一盒牛奶，把它放在好又多一分店進行銷售，而小明則可以從那里買到這盒牛奶。只有當廠家把牛奶放在商店里面后，小明才可以從商店里買到牛奶。所以很明顯這是最簡單的同步問題。
解題如下：
定義兩個同步信號量：
empty——表示緩沖區是否為空，初值為1。
full——表示緩沖區中是否為滿，初值為0。
生產者進程
while(TRUE){
生產一個產品;
P(empty);
產品送往Buffer;
V(full);
}
消費者進程
while(TRUE){
P(full);
從Buffer取出一個產品;
V(empty);
消費該產品;
}
2）一個生產者，一個消費者，公用n個環形緩沖區。
第二種情況可以理解為伊利牛奶生產廠家可以生產好多牛奶，並將它們放在多個好又多分店進行銷售，而小明可以從任一間好又多分店中購買到牛奶。同樣，只有當廠家把牛奶放在某一分店里，小明才可以從這間分店中買到牛奶。
不同於第一種情況的是，第二種情況有N個分店（即N個緩沖區形成一個環形緩沖區），所以要利用指針，要求廠家必須按一定的順序將商品依次放到每一個分店中。緩沖區的指向則通過模運算得到。
解題如下：
定義兩個同步信號量：
empty——表示緩沖區是否為空，初值為n。
full——表示緩沖區中是否為滿，初值為0。
設緩沖區的編號為1～n-1，定義兩個指針in和out，分別是生產者進程和消費者進程使用的指針，指向下一個可用的緩沖區。
生產者進程
while(TRUE){
生產一個產品;
P(empty);
產品送往buffer（in）；
in=(in+1)mod n；
V(full);
}
消費者進程
while(TRUE){
P(full);
從buffer（out）中取出產品；
out=(out+1)mod n；
V(empty);
消費該產品;
}
3）一組生產者，一組消費者，公用n個環形緩沖區
第三種情況，可以理解成有多間牛奶生產廠家，如蒙牛，達能，光明等，消費者也不只小明一人，有許許多多消費者。不同的牛奶生產廠家生產的商品可以放在不同的好又多分店中銷售，而不同的消費者可以去不同的分店中購買。當某一分店已放滿某個廠家的商品時，下一個廠家只能把商品放在下一間分店。所以在這種情況中，生產者與消費者存在同步關系，而且各個生產者之間、各個消費者之間存在互斥關系,他們必須互斥地訪問緩沖區。
解題如下：
定義四個信號量：
empty——表示緩沖區是否為空，初值為n。
full——表示緩沖區中是否為滿，初值為0。
mutex1——生產者之間的互斥信號量，初值為1。
mutex2——消費者之間的互斥信號量，初值為1。
設緩沖區的編號為1～n-1，定義兩個指針in和out，分別是生產者進程和消費者進程使用的指針，指向下一個可用的緩沖區。
生產者進程
while(TRUE){
生產一個產品;
P(empty);
P(mutex1)；
產品送往buffer（in）；
in=(in+1)mod n；
V(mutex1);
V(full);
}
消費者進程
while(TRUE){
P(full);
P(mutex2)；
從buffer（out）中取出產品；
out=(out+1)mod n；
V（mutex2）；
V(empty);
}
5. 用P、V操作解決進程間互斥問題：
- 分析並發進程的關鍵活動，划定臨界區；
- 設置信號量mutex，初值為1；
- 在臨界區之前實施P(mutex);
- 在臨界區之后實施V(mutex);
七. 生產者消費者問題
生產者、緩沖區、消費者
生產者-消費者（producer-consumer）問題，也稱作有界緩沖區（bounded-buffer）問題，兩個進程共享一個公共的固定大小的緩沖區。
其中一個是生產者，用於將消息放入緩沖區；另外一個是消費者，用於從緩沖區中取出消息。
問題出現在當緩沖區已經滿了，而此時生產者還想向其中放入一個新的數據項的情形，其解決方法是讓生產者此時進行休眠，等待消費者從緩沖區中取走了一個或者多個數據后再去喚醒它。
同樣地，當緩沖區已經空了，而消費者還想去取消息，此時也可以讓消費者進行休眠，等待生產者放入一個或者多個數據時再喚醒它。
聽起來好像蠻對的，無懈可擊似的，但其實在實現時會有一個競爭條件存在的。為了跟蹤緩沖區中的消息數目，需要一個變量 count。
如果緩沖區最多存放 N 個消息，則生產者的代碼會首先檢查 count 是否達到 N，如果是，則生產者休眠；否則，生產者向緩沖區中放入一個消息，並增加 count 的值。
消費者的代碼也與此類似，首先檢測 count 是否為 0，如果是，則休眠；否則，從緩沖區中取出消息並遞減 count 的值。同時，每個進程也需要檢查是否需要喚醒另一個進程。
代碼可能如下：
// 緩沖區大小
#define N 100
int count = 0; // 跟蹤緩沖區的記錄數
/* 生產者進程 */
void procedure(void)
{
int item; // 緩沖區中的數據項
while(true) // 無限循環
{
item = produce_item(); // 產生下一個數據項
if (count == N) // 如果緩沖區滿了，進行休眠
{
sleep();
}
insert_item(item); // 將新數據項放入緩沖區
count = count + 1; // 計數器加 1
if (count == 1) // 表明插入之前為空，
{ // 消費者等待
wakeup(consumer); // 喚醒消費者
}
}
}
/* 消費者進程 */
void consumer(void)
{
int item; // 緩沖區中的數據項
while(true) // 無限循環
{
if (count == 0) // 如果緩沖區為空，進入休眠
{
sleep();
}
item = remove_item(); // 從緩沖區中取出一個數據項
count = count - 1; // 計數器減 1
if (count == N -1) // 緩沖區有空槽
{ // 喚醒生產者
wakeup(producer);
}
consume_item(item); // 打印出數據項
}
}
看上去很美，哪里出了問題，這里對 count 的訪問是有可能出現競爭條件的：緩沖區為空，消費者剛剛讀取 count 的值為 0，而此時調度程序決定暫停消費者並啟動執行生產者。生產者向緩沖區中加入一個數據項，count 加 1。
現在 count 的值變成了 1，它推斷剛才 count 為 0，所以此時消費者一定在休眠，於是生產者開始調用 wakeup(consumer) 來喚醒消費者。但是，此時消費者在邏輯上並沒有休眠，所以 wakeup 信號就丟失了。
當消費者下次運行時，它將測試先前讀到的 count 值，發現為 0（注意，其實這個時刻 count 已經為 1 了），於是開始休眠（邏輯上）。而生產者下次運行的時候，count 會繼續遞增，並且不會喚醒 consumer 了，所以遲早會填滿緩沖區的，
然后生產者也休眠，這樣兩個進程就都永遠的休眠下去了。
使用信號量解決生產者-消費者問題
首先了解一下信號量吧，信號量是 E.W.Dijkstra 在 1965 年提出的一種方法，它是使用一個整型變量來累計喚醒的次數，供以后使用。在他的建議中，引入了一個新的變量類型，稱為信號量(semaphore).
一個信號量的取值可以為 0（表示沒有保存下來的喚醒操作）或者為正值（表示有一個或多個喚醒操作）。
並且設立了兩種操作：down 和 up（分別為一般化后的 sleep 和 wakeup，其實也是一般教科書上說的 P/V 向量）。對一個信號量執行 down 操作，表示檢查其值是否大於 0，如果該值大於 0，則將其值減 1（即用掉一個保存的喚醒信號）並繼續；
如果為 0，則進程休眠，而且此時 down 操作並未結束。另外，就是檢查數值，修改變量值以及可能發生的休眠操作都作為單一的，不可分割的 原子操作 來完成。
下面開始考慮用信號量來解決生產者-消費者問題了，不過在此之前，再次分析一下這個問題的本質會更清晰點：問題的實質在於發給一個（尚）未休眠進程（如上的消費者進程在只判斷了 count == 0 后即被調度出來，還未休眠）的 wakeup 信號丟失
（如上的生產者進程在判斷了 count == 1 后以為消費者進程休眠，而喚醒它）了。如果它沒有丟失，則一切都會很好。
#define N 100 // 緩沖區中的槽數目
typedef int semaphore; // 信號量一般被定義為特殊的整型數據
semaphore mutex = 1; // 控制對臨界區的訪問
semaphore empty = N; // 計數緩沖區中的空槽數目
semaphore full = 0; // 計數緩沖區中的滿槽數目
/* 生產者進程 */
void proceducer(void)
{
int item;
while(1)
{
item = procedure_item(); // 生成數據
down(&empty); // 將空槽數目減 1
down(&mutex); // 進入臨界區
insert_item(item); // 將新數據放入緩沖區
up(&mutex); // 離開臨界區
up(&full); // 將滿槽的數目加 1
}
}
/* 消費者進程 */
void consumer(voi)
{
int item;
while(1)
{
down(&full); // 將滿槽數目減 1
down(&mutex); // 進入臨界區
item = remove_item(); // 從緩沖區中取出數據項
up(&mutex); // 離開臨界區
up(&empty); // 將空槽數目加 1
consumer_item(item); // 處理數據項
}
}
該解決方案使用了三個信號量：一個為 full，用來記錄充滿的緩沖槽的數目，一個為 empty，記錄空的緩沖槽總數，一個為 mutex，用來確保生產者和消費者不會同時訪問緩沖區。
mutex 的初始值為 1，供兩個或者多個進程使用的信號量，保證同一個時刻只有一個進程可以進入臨界區，稱為二元信號量（binary semaphore）。
如果每一個進程在進入臨界區前都執行一個 down(...)，在剛剛退出臨界區時執行一個 up(...)，就能夠實現互斥。
另外，通常是將 down 和 up 操作作為系統調用來實現，而且 OS 只需要在執行以下操作時暫時禁止全部中斷：測試信號量，更新信號量以及在需要時使某個進程休眠。
這里使用了三個信號量，但是它們的目的卻不相同，其中 full 和 empty 用來同步（synchronization），而 mutex 用來實現互斥。
七. 用信號量解決讀者/寫者問題：