基本概念
在 Os 中引入進程后，雖然提高了資源的利用率和系統的吞吐量，但由於進程的異步性，也會給系統造成混亂，尤其是在他們爭用臨界資源時。例如，當多個進程去爭用一台打印機時，有可能使多個進程的輸出結果交織在一起，難於區分；而當多個進程去爭用共享變量、表格、鏈表時，有可能致使數據處理出錯。進程同步的主要任務是對多個相關進程在
執行次序上進行協調，以使並發執行的諸進程之間能有效地共享資源和相互合作，從而使程序的執行具有可再現性。
- 在資源共享的情況下：保證諸進程以互斥的方式訪問臨界資源—必須以互斥方式訪問的共享資源；
- 在相互合作的關系中：進程同步的主要任務是保證相互合作的諸進程在執行次序上協調，（有些教材把這種功能稱做“協調”）。相互合作的進程可能同時存在資源共享的關系。
如何實現進程互斥，需要讓進程以互斥的方式進入各自的臨界區，先執行進入區的代碼。
人為地加一段代碼。
臨界資源
必須以互斥方式訪問的共享資源
counter的例子：在機器語言中實現兩個進程給count加一的操作
register1 = count
register1 = register1 + 1
count = register1
register2 = count
register2 = register2 + 1
count = register2
但是如果是並發執行，可能會出現下面的情況
register1 = count
register2 = count
register1 = register1 + 1
register2 = register2 + 1
count = register1
count = register2
結果就不對了。
可見，counter應該作為臨界資源。多個進程必須對其進行互斥訪問
臨界區
在每個進程中訪問臨界資源的那段代碼稱為臨界區。如果能保證諸進程互斥地進入自己的臨界區，便可實現諸進程對臨界資源的互斥訪問。
每個進程在進入臨界區之前，應先對欲訪問的臨界資源進行檢查，看它是否正被訪問。如果此刻該臨界資源未被訪問，進程便可進入臨界區對該資源進行訪問，並設置它正被訪問的標志；如果此刻該臨界資源正被某進程訪問，則本進程不能進入臨界區。
必須在臨界區前面增加一段用於進行上述檢查的代碼，把這段代碼稱為進入區(entry section)。相應地，在臨界區后面也要加上一段稱為退出區(exit section)的代碼，用於將臨界區正被訪問的標志恢復為未被訪問的標志。
同步機制應遵守的規則
- 空閑讓進。當無進程處於臨界區時，表明臨界資源處於空閑狀態，應允許一個請求進入臨界區的進程立即進入自己的臨界區，以有效地利用臨界資源。
- 忙則等待。當已有進程進入臨界區時，表明臨界資源正在被訪問，因而其它試圖進入臨界區的進程必須等待，以保證對臨界資源的互斥訪問。
- 有限等待。對要求訪問臨界資源的進程，應保證在有限時間內能進入自己的臨界區，以免陷入“死等”狀態。
- 讓權等待。當進程不能進入自己的臨界區時，應立即釋放處理機，以免進程陷入“忙等”狀態。飢餓狀態。
信號量機制
用某種類型的變量來表示資源包括臨界資源的使用狀態
對不同的臨界資源必須定義不同的信號量
整型信號量
跟臨界資源對應的共享變量——信號量，來標記他的可用數量（臨界值為1）來控制進程等待還是繼續運行
整型信號量：整形變量共享（全局變量），用他的值來標記資源使用情況>0說明有可用資源；定義一個用於互斥的整形信號量，初始化為1
/*整型信號量的wait和signal操作
思路：為必須互斥訪問的Cs定義一個互斥信號量mutex，初始值為1。
然后，將Cs放在 wait(mutex)和signal(mutex)之間，當Cs可訪問時，wait(mutex)才能正常結束使進程進入Cs。
這是利用信號量來實現進程互斥
*/
var s:integer; ;s為整型信號量
wait(s){ ;用於申請資源
while s≤0 do no-op;
s=s-1;
}
;cs
signal(s){ //用於釋放資源
s=s+1;
}
wait(s)和 signal(s)是兩個原子操作，因此，它們在執行時是不可中斷的。亦即，當一個進程在修改某信號量時，沒有其他進程可同時對該信號量進行修改。此外，在 wait 操作中，對 s 值的測試和做 s:=s-1 操作時都不可中斷。
信號量不是臨界資源，但具有臨界資源的特點，可以被多個進程互斥訪問。對信號量的操作必須是原子性的。（禁止套娃）
為什么不能直接把臨界區定義為原子操作？
內核中臨界區代碼很短，若直接在執行臨界區代碼前關中斷，效率太低
記錄型信號量
在整型信號量機制中的 wait 操作，只要是信號量 s≤0，就會不斷地測試。因此，該機制並未遵循“讓權等待”的准則，而是使進程處於“忙等”的狀態。沒有釋放處理機，沒有放棄對CPU的使用權。
在信號量機制中，除了需要一個用於代表資源數目的整型變量 value 外，還應增加一個進程鏈表指針 L，用於鏈接上述的所有等待進程。記錄型信號量是由於它采用了記錄型的數據結構而得名的。
#記錄型信號量的數據類型 類似結構體
Type semaphore = record
Value:integer //資源數量
L:list of process //阻塞隊列
end
/*記錄型信號量的wait(s)和signal（s）操作*/
procedure wait(s)
var s:semaphore
begin
s.value=s.value-1;
if s.value<0 then //說明原先的資源數為0
block(s.L)
end
procedure signal(s)
var s:semaphore
begin
s.value=s.value+1; //釋放一個資源
if s.value <= 0 then //如果等待隊列里有阻塞的進程，喚醒一個進程
wakeup(s.L) //說明原先的資源數是小於0的，釋放一個之后還等於0，意味着需要喚醒進程
end
上述代碼如何做到讓權等待：
對它的每次 wait 操作，意味着進程請求一個單位的該類資源，使系統中可供分配的該類資源數減少一個，因此描述為 s.value:=s.value-1；當 s.value<0 時，表示該類資源已分配完畢，因此進程應調用 block 原語，進行自我阻塞，放棄處理機，並插入到信號量鏈表s.L 中。
每次signal操作，如果釋放一個資源，資源數還沒有大於0，說明等待隊列里有阻塞的進程。
經典同步問題
生產者消費者模型
生產者進程生產消息，並將消息提供給消費者進程消費。為使生產者進程和消費者進程能並發執行，在它們之間設置了一個具有n個緩沖區的緩沖池，生產者進程可以將它所生產的消息放入一個緩沖區中，消費者進程可以從一個緩沖區中取得一個消息消費。任意兩個進程必須以互斥的方式訪問公共緩沖池。當緩沖池空時，消費者進程必須等待；當緩沖池裝滿消息時，生產者進程必須等待。
一共有兩個進程，生產者進程和消費者進程，他們之間是互斥的關系。這道題的臨界資源是緩沖區。必須先生產后消費。
信號量：
-
mutex用於實現對公共緩沖池的互斥，初值為1 -
empty空緩沖區的個數，n -
full裝有產品的緩沖區數，0
semaphore mutex=1;
semaphore empty=N;
semaphore full=0
//生產者
Producer:
begin
repeat
produce an item in nextp;
wait(empty);
wait(mutex);//wait操作不能顛倒，如果有了臨界區的訪問權，空緩沖區數又為空，就會出現死鎖
buffer(in):=nextp;
in:=(in+1)mod n
signal(mutex);
signal(full);
until false;
end
//消費者
Consumer:
begin
repeat
wait(full);//申請非空緩沖區
wait(mutex);//申請公共緩沖池的訪問權
nextc:=buffer(out);//取出
out:=(out+1)mod n;
signal(mutex);
signal(empty)；
consume item in nextc;//消費數據
until false;
end
這是實現相互合作的一個模板
讀者寫者問題
一個數據文件或記錄，可被多個進程共享，我們把只要求讀該文件的進程稱為“Reader進程”，其他進程則稱為“Writer 進程”。允許多個進程同時讀一個共享對象，因為讀操作不會使數據文件混亂。但不允許一個 Writer 進程和其他 Reader 進程或 Writer 進程同時訪問共享對象，因為這種訪問將會引起混亂。
設置信號量：
readcount對進入共享區的讀進程計數rmutex用於對多個進程共享的變量readcount互斥wmutex用於實現讀/寫互斥，寫/寫互斥
要實現寫的時候，讀寫互斥比較簡單
writer:
begin
repeat
wait(wmutex);
writing operation
signal(wmutex);
end
讀進程：
read:
begin:
repeat
wait(rmutex);
if readcount == 0 then wait(wmutex);//讓第一個讀進程加鎖
readcount++
signal(rmutex);
reading file
wait(rmutex);
readcount--;
if readcount == 0 then signal(wmutex);//讓最后一個讀進程解鎖
signal(rmutex);
end
多個讀進程要使readcount+1，所以需要將readcount加鎖。
哲學家就餐
如果保證只有四個人拿筷子，就不會出現死鎖
https://blog.csdn.net/speedme/article/details/17597373
repeat
wait(mutex);//拿筷子的人的個數
wait(chopstick[i])；
wait(chopstick[(i+1)mod 5])；
eat；
signal(chopstick[i])；
signal(chopstick[(i+1)mod 5])；
signal(mutex);
think；
until false；
練習題
三個進程\(P_1,P_2,P_3\)互斥使用一個包含\(N(N > 0)\)個單元的緩沖區。\(P_1\)每次用produce()生成一個正整數並用put()送入緩沖區某一空單元中；\(P_2\)每次用getodd()從該緩沖區中取出一個奇數並用countodd()統計奇數個數；\(P_3\)每次用geteven()從該緩沖區中取出一個偶數並用counteven()統計偶數個數。請用信號量機制實現這三個進程的同步與互斥活動，並說明所定義信號量的含義。要求用偽代碼描述。
定義信號量，由於三個都是互斥的：
mutex三個進程的互斥信號量odd\(P_1\)和\(P_3\)同步信號量奇數的個數even\(P_1\)和\(P2\)同步信號量偶數的個數empty同步信號量空緩沖區的個數
semaphore mutex=1;
semaphore odd=0，even=0;
semaphore empty=N;
main()
cobegin{
Process P1
while(True){
number=produce()；
wait(empty);
wait(mutex);
put()；
signal(mutex);
if number%2 == 0
signal(even);
else
signal(odd);
}
Process P2
while (true){
wait(odd);
wait(mutex);
getodd()；
signal(mutex);
signal(empty);
countodd()；
}
Process P3
while (true){
wait(even);
wait(mutex);
geteven()；
signal(mutex);
signal(empty);
counteven()；
}
}coend