互斥
操作系統的同步與互斥可以從線程和進程兩個角度進行理解。如果從線程的角度理解，這里本文以兩個線程為例，需要考慮這兩個線程是否屬於同一個進程，對於不同進程的線程來說，它們本質上和從兩個進程的角度進行理解是一樣的，在之后討論兩個進程間的同步互斥時會詳細說明。對於同一進程的兩個線程，假設有這樣一段代碼。
int res, temp=0;
res = temp++;
上文的代碼是通過C語言編寫的，需要經過編譯、鏈接之后才能執行，經過編譯后，“res=temp++;”可能被翻譯成如下的匯編指令。
load temp, reg1
store reg1, res
inc reg1
store temp, reg1
如果兩個線程同時執行這樣一段代碼，在執行過程中，可能發生線程切換，導致一個線程沒有全部執行完這4條指令，就將執行權限交到另一個線程的情況。考慮這樣一種情況，線程1在執行完inc reg1之后發生線程切換，第二個線程開始執行，如果第二個線程正常執行完畢，將temp置為1，然后切回線程1，再次將temp置為1。其實這已經和我們的初衷不符，因為正常情況下，我們通常認為temp應該等於2，而且更重要的是，這個代碼帶有不確定性，如果兩個線程執行時，temp可能為1也可能為2，res的值也不確定。
一種簡單的做法是加鎖，還是看一段代碼。
int res,temp=0;
LOCK(p);
res = temp++;
UNLOCK(p);
這里假設p是一個全局變量，初始化為1，函數LOCK(p)可以理解為讀取p的值，如果p>0則p執行自減操作，如果p=0則將當前線程睡眠一個固定的時間，然后再來查詢p的值，這個過程可以表示為如下代碼。
void LOCK(int p)
{
while(1)
{
if(p > 0)
{
p--;
return;
}
sleep(10);
}
}
UNLOCK的代碼同理，這里不詳細寫了。看到這里讀者可能會發現，這段代碼看似解決了以前的問題，但是帶來了兩個新的問題：
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這段代碼並不能真正讓多線程正確工作，比如線程1執行時，假設p=1，那么(p>0)是成立的，但是如果恰巧執行完p>0以后線程切換，線程1讓出執行權限給線程2，那么線程2在判斷p>0時也是成立的，這時兩個線程仍然同時進入到臨界區（我們把不允許多線程同時執行的區域稱為臨界區或互斥區，下同)，因此不能解決上述問題。
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第二個問題是，即使多個線程不會同時進入到臨界區，也會導致忙等待的問題。具體來說，如果線程1進入到臨界區，這時切換到線程2，線程2可能也執行這段代碼，當它試圖執行LOCK(p)時，它會一直輪詢p的狀態，此時線程1沒有執行，那么它這個時間片(線程2的執行時間)事實上是浪費了，如果線程2的優先級高於線程1，而且線程的調度算法是優先級高的線程總是先執行，那將產生可怕的后果，線程1永遠也不能執行，因此永遠也不會釋放鎖，而線程2永遠在輪詢，永遠在浪費時間片。
顯然，上述兩個問題是不能回避的，這兩個問題必須得到解決。針對第一個問題，事實上我們采用硬件提供的方法，由硬件確保查詢和更改操作是原子操作，簡單來說，就是判斷(p>0)和執行p--這兩個操作是原子操作，要么都做要么都不做，我記得C庫會提供一個大致叫CompareAndChange的函數來完成這個操作。
針對第二個問題，要解決起來就復雜的多。首先，操作系統將線程分為三種狀態，分別是就緒（Ready）、掛起（Suspend）、執行（Execute），事實上這三種狀態在很多地方都會用到，這里只考慮在訪問臨界區時的應用。首先介紹一下這三種狀態，就緒態的線程是指一個線程已經就緒，簡單來說就是可以被調度執行，需要注意，同一時刻可能存在多個就緒態的線程，如果當前執行的線程執行完畢后，會從當前多個就緒線程中選取一個線程（一般選擇優先級最高的）切換到執行態。執行態的線程在同一時刻只有一個（事實上執行態的線程個數取決於CPU核的個數，但又不僅僅取決於CPU核的個數，這里不詳細討論），掛起態比較特殊，這類線程往往是由於資源得不到滿足而掛起，等到資源滿足以后再被喚醒切換到就緒態。舉個簡單的掛起態的例子，比如一個線程想要讀磁盤，那么它只需要發一個系統調用告訴內核，再由內核告訴磁盤讀取指定區域的數據，但是這個讀取是需要時間的，此時這個線程就被阻塞了，因此給它時間片也沒用，所以它會被os掛起，當磁盤讀取完成后，可以告訴內核，然后由內核再將上述掛起線程喚醒。
回到這個問題，當線程1執行了LOCK(p)之后進入到臨界區以后，如果這時線程1讓出執行權限，由線程2開始執行，那么當它執行到LOCK(p)時，它不會再去輪詢p到狀態，而是會將自己從執行態（因為此時線程2在執行，所以必然處於執行態）變為掛起狀態。需要注意的是，無論線程2的優先級多么高，此時線程2再也沒有執行的可能了。接下來，如果線程1執行完畢后，它會執行UNLOCK(p)，那么此時UNLOCK(p)也不能僅僅做p++了，它需要喚醒線程2，也就是喚醒等待p的線程。此時p已經不僅僅是一個整數那么簡單了，准備的說，p已經是一個信號量了，信號量肯定比一個整數要復雜很多，但從原理上講，也不需要很復雜。那么一個信號量需要什么呢？我想它應該需要兩樣東西：
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一個整數記錄當前信號量的值，信號量的值不總是1，比如臨界區的代碼是操作打印機，而此時存在十個打印機，那么允許十個線程同時進入到臨界區，因此信號量可以是10，當然大多數情況下信號量只有0、1兩個取值。
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應該有一個隊列作為信號量的等待隊列，簡單來說，如果線程1在臨界區中執行時讓出執行權限，在線程1再次被調度執行以前，有線程2、線程3兩個線程都試圖進入臨界區，因此這兩個線程會進入到一個隊列中，當信號量被線程1釋放時，我們一般會喚醒先等待信號量的線程，假設線程2先試圖訪問這個臨界區，那么就先喚醒線程2，等線程2再次執行完畢后再喚醒線程3.
如此，一個簡單的信號量就設計完成了，對於信號量的操作，一般稱為P和V操作，P相當於LOCK、V相當於UNLOCK。當然，現在的操作系統對於信號量的設計遠沒有這么簡單，考慮的情況也要復雜很多，這只是一個簡單的分析，如果有讀者在這方面想要交流，歡迎發郵件給我。
同步
上述考慮的是互斥的情況，下面考慮同步的情況。首先，操作系統為什么要有同步操作？舉個例子，福特是汽車行業的先驅，盡管汽車的發明者是benz（關於汽車的發明者，現在仍然爭論不休，這里不詳細說了），但是福特真正把汽車帶進了千家萬戶，他最大的貢獻就是發明了流水線作業，大幅度降低了汽車制造的成本。流水線作業的本質是每個人只負責一小部分，整個工廠像流水線一樣完成汽車制造。對於計算機來說，我們考慮這樣一種情況，假設一個音樂播放軟件，首先需要有一個線程負責告訴磁盤把音樂讀到內存中，然后另一個線程負責把內存中的數據發送到聲卡處理。那么整個音樂播放就是一個同步問題，首先需要將數據讀到內存，才能將數據發送給聲卡，播放出我們可以聽見的聲音。如果將這個問題抽象一下，可以認為有A、B、C、D四個操作，需要按照A、B、C、D的順序執行，對於這類問題，應用上述信號量的機制就可以很好解決。比如設計三個信號量，這里分別記為a，b，c。線程B等待信號量a，線程C等待信號量b，線程D等待信號量c，初始化階段將三個信號量都設置為0，因此線程B、C、D都會阻塞。當線程A執行完畢后，喚醒B，然后依次喚醒就可以讓四個線程嚴格按照順序執行。
當然，這里考慮的仍然是非常簡單的情況，讀者可以考慮按照這種思路會出現哪些無法解決的問題？？或者仍有哪些問題沒有考慮到？？
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