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1、信號量
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信號量機制：
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概念：其實就是一個變量，可以用一個信號量來表示系統中某種資源的數量、
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用戶進程通過使用操作系統提供的一對原語來對信號量進行操作，從而方便的實現了進程互斥。
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這里的一對原語是指wait(S)和signal(S)，也簡寫為P(S)和V(S)，即申請和釋放資源。P、V操作必須成對出現。
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整數型信號量：
- 用一個整數作為信號量，數值表示某種資源數。
- 對信號量的操作只有三種：初始化、P操作、V操作。
- 不滿足讓權等待原則。
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記錄型信號量：
- S.value表示某種資源數，S.L指向等待該資源的隊列。
- P操作中，先S.value++，之后可能執行block阻塞原語。
- V操作中，先S.value--，之后可能執行wakeup喚醒原語。
- 可以用記錄型信號量實現系統資源的申請和釋放，申請S.value--，然后如果S.value<0說明資源分配完了，就阻塞；釋放S.value++，然后如果S.value<=0說明還有進程在等待隊列中等待，就喚醒。
- 記錄型信號量可以實現進程互斥、進程同步。
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實現進程互斥：
- 划定臨界區。
- 設置互斥信號量mytex，初值為1。
- 在臨界區之前執行P(mutex)，在臨界區之后執行V(mutex)。
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實現進程同步：
- 分析那些地方是必須保證一前一后執行的兩個操作。
- 設置同步信號量S，初始值為0。
- 在“前操作”之后執行V(S)。
- 在“后操作”之前執行P(S)。
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實現前驅關系：
- 每一對前驅關系都是一個進程同步問題。
- 為每一對前驅關系設置一個同步變量，初始值為0。
- 在“前操作”之后執行V操作。
- 在“后操作”之前執行P操作。
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生產者消費者問題：
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生產者每次生產一個產品放入緩沖區，消費者每次從緩沖區取出一個產品使用。緩沖區滿生產者必須等待（同步關系1），緩沖區空消費者必須等待（同步關系2）。
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緩沖區是臨界資源，必須被互斥訪問（互斥關系）。
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問題中的P、V操作：
- 生產者每次P一個緩沖區，V一個產品。
- 消費者每次V一個緩沖區，P一個產品。
- 生產者和消費者互斥訪問緩沖區。
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問題實現：
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相鄰的P操作的順序不能改變，否則會出現死鎖。實現互斥的P操作一定要實現同步的P操作之后。相鄰的V操作的順序可以改變。
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多生產者多消費者問題：
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問題描述：桌子上有一只盤子，每次只能向其中放入一個水果。爸爸專向盤子中放蘋果，媽媽專向盤子中放橘子，兒子專等着吃盤子中的橘子，女兒專等着吃盤子中的蘋果。
只有盤子空時，爸爸或媽媽才可向盤子中放一個水果。僅當盤子中有自己需要的水果時，兒子或女兒可以從盤子中取出水果。
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多是指多種類，即不同的生產者生產不同的產品，不同的消費者消費不同的產品，但是共享緩沖區。
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問題分析：
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互斥關系：（mutex=1）：對緩沖區（盤子）的訪問要互斥地進行。
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同步關系：
1，父親將蘋果放入盤子后，女兒才能取蘋果；2，母親將橘子放入盤子后，兒子才能取橘子；
3，只有盤子為空時，父親或母親才能放入水果。
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問題實現：
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當緩沖區只有1時，沒有互斥信號量也可以。
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吸煙者問題：
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問題描述：假設一個系統有三個抽煙者進程和一個供應者進程。每個抽煙者不停地卷煙並抽掉它，但是要卷起並抽掉一支煙，抽煙者需要有三種材料：煙草、紙和膠水。三個抽煙者中，第一個擁有煙草、第二個擁有紙、第三個擁有膠水。
供應者進程無限地提供三種材料，供應者每次將兩種材料放桌子上，擁有剩下那種材料的抽煙者卷一根煙並抽掉它，並給供應者進程一個信號告訴完成了，供應者就會放另外兩種材料再桌上，這個過程一直重復（讓三個抽煙者輪流地抽煙）。
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就是一個可以生產多種產品的單生產者的問題。
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問題分析：
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互斥關系：桌子是大小為1的緩存區，互斥訪問。
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同步關系：
1，桌上有組合一→第一個抽煙者取走東西；
2，桌上有組合二→第二個抽煙者取走東西；
3，桌上有組合三→第三個抽煙者取走東西；
4，發出完成信號→供應者將下一個組合放到桌上。
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問題實現：
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讀者寫者問題：
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問題描述：有讀者和寫者兩組並發進程，共享一個文件，當兩個或兩個以上的讀進程同時訪問共享數據時不會產生副作用，但若某個寫進程和其他進程（讀進程或寫進程）同時訪問共享數據時則可能導致數據不一致的錯誤。因此要求：
1，允許多個讀者可以同時對文件執行讀操作；
2，只允許一個寫者往文件中寫信息；
3，任一寫者在完成寫操作之前不允許其他讀者或寫者工作；
4，寫者執行寫操作前，應讓已有的讀者和寫者全部退出。
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問題分析：
- 互斥關系：寫進程-寫進程、寫進程-讀進程。讀進程與讀進程不存在互斥問題。
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問題實現：
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實現1：
- 問題：只要讀進程還在讀，寫進程就要一直阻塞，可能會餓死。
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實現2：
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核心思想：設置了一個count計數器來判斷當前進入的進程是否是第第一個/最后一個讀進程。
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如果需要一氣呵成的操作，就應該想到使用互斥信號量。
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哲學家進餐問題：
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問題描述：一張圓桌上坐着5名哲學家，每兩個哲學家之間的桌上擺一根筷子，桌子的中間是一碗米飯。哲學家們傾注畢生的精力用於思考和進餐，哲學家在思考時，並不影響他人。只有當哲學家飢餓時，才試圖拿起左、右兩根筷子（一根一根地拿起）。
如果筷子己在他人手上，則需等待。飢餓的哲學家只有同時拿起兩根筷子才可以開始進餐，當進餐完畢后，放下筷子繼續思考。
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問題分析：
- 互斥關系：5位哲學家與左右鄰居對其中間筷子的訪問是互斥關系。
- 這個問題中只有互斥關系，但與之前遇到的問題不同的事，每個哲學家進程需要同時持有兩個臨界資源才能開始吃飯。如何避免臨界資源分配不當造成的死鎖現象，是哲學家問題的精髓。
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如何防止死鎖的發生：
- 方法1：可以對哲學家進程施加一些限制條件，比如最多允許四個哲學家同時進餐。這樣可以保證至少有一個哲學家是可以拿到左右兩只筷子的。
- 方法2：要求奇數號哲學家先拿左邊的筷子，然后再拿右邊的筷子，而偶數號哲學家剛好相反。用這種方法可以保證如果相鄰的兩個奇偶號哲學家都想吃飯，那么只會有其中一個可以拿起第一只筷子，另一個會直接阻塞。這就避免了占有一支后再等待另一只的情況。
- 方法3：僅當一個哲學家左右兩支筷子都可用時才允許他抓起筷子。更准確的說法應該是：各哲學家拿筷子這件事必須互斥的執行。這就保證了即使一個哲學家在拿筷子拿到一半時被阻塞，也不會有別的哲學家會繼續嘗試拿筷子。這樣的話，當前正在吃飯的哲學家放下筷子后，被阻塞的哲學家就可以獲得等待的筷子了。
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方法3的問題實現：
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管程：
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為什么引入管程：復雜PV操作，程序易出錯。管程是一種高級的互斥同步操作。
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管程的組成（其實就是一種封裝，類比Java的類）：
1，局部於管程的共享數據結構說明（成員變量）；
2，對該數據結構進行操作的一組過程（成員方法操作成員變量）；
3，對局部於管程的共享數據設置初始值的語句（構造函數初始化成員變量）；
4，管程有一個名字（類名）。 -
管程的基本特征：
1，局部於管程的數據只能被局部於管程的過程所訪問（成員變量是private）；
2，一個進程只有通過調用管程內的過程才能進入管程訪問共享數據（成員方法是public）；
3，每次僅允許一個進程在管程內執行某個內部過程（互斥訪問）。 -
管程解決生產者消費問題：
- 互斥特性的編譯器負責實現的。
- 可在管程中設置條件變量及等待/喚醒操作以解決同步問題。可以讓一個進程或線程在條件變量上等待（此時，該進程應先釋放管程的使用權，也就是讓出“入口"”）；可以通過喚醒操作將等待在條件變量上的進程或線程喚醒。
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2、死鎖
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什么是死鎖：在並發環境下，各進程因競爭資源而造成的一種互相等待對方手里的資源，導致各進程都阻塞，無法向前推進的現象。
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死鎖、飢餓、死循環的區別：
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死鎖產生的必要條件：
- 互斥條件：只有對必須互斥使用的資源的爭搶才會導致死鎖。
- 不剝奪條件：進程所獲得的資源在未使用完之前，不能由其他進程強行奪走，只能主動釋放。
- 請求和保持條件：進程已經保持了至少一個資源，但又提出了新的資源請求，而該資源又被其他進程占有，此時請求進程被阻塞，但又對自己已有的資源保持不放。
- 循環等待條件：存在一種進程資源的循環等待鏈，鏈中的每一個進程已獲得的資源同時被下一個進程所請求（循環等待不一定死鎖）。
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什么時候對發生死鎖：
- 對系統資源的競爭。
- 進程推進順序非法。
- 信號量使用不當。
- 總之，就是對不可剝奪的資源的不合理分配。
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死鎖的處理策略：
- 預防死鎖，破環四個必要條件。
- 避免死鎖，用某種方法防止系統進入不安全狀態（銀行家算法）。
- 死鎖的檢測和解除，允許死鎖的發生，不過操作系統會負責檢測出死鎖的發生，然后采取某種措施解除死鎖。
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預防死鎖：
- 破壞互斥條件：把只能互斥使用的資源改造為允許共享使用，比如SPOOLing技術。
- 破壞不剝奪條件：
- 方案1：當某個進程請求新的資源得不到滿足時，它必須立即釋放保持的所有資源，待以后需要時再重新申請。
- 方案2：當某個進程需要的資源被其他進程所占有的時候，可以由操作系統協助，將想要的資源強行剝奪。
- 破壞請求和保持條件：可以采用靜態分配方法，即進程在運行前一次申請完它所需要的全部資源，在它的資源未滿足前，不讓它投入運行。一旦投入運行后，這些資源就一直歸它所有，該進程就不會再請求別的任何資源了。
- 破壞循環等待條件：可采用順序資源分配法。首先給系統中的資源編號，規定每個進程必須按編號遞增的順序請求資源，同類資源（即編號相同的資源）一次申請完。
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避免死鎖：
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安全序列：指如果系統按照這種序列分配資源，則每個進程都能順利完成。只要能找出一個安全序列，系統就是安全狀態。當然，安全序列可能有多個。
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如果系統處於安全狀態，就一定不會發生死鎖。如果系統進入不安全狀態，就可能發生死鎖。
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“銀行家算法”的核心思想：在進程提出資源申請時，先預判此次分配是否會導致系統進入不安全狀態。如果會進入不安全狀態，就暫時不答應這次請求，讓該進程先阻塞等待。
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銀行家算法的步驟：
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死鎖的檢測：
- 用某種數據結構來保存資源的請求和分配信息；
- 提供一種算法，利用上述信息來檢測系統是否已進入死鎖狀態。
- 最終能消除所有邊，就稱這個圖是可完全簡化的。此時一定沒有發生死鎖。（相當於能找到一個安全序列）
- 如果最終不能消除所有邊，那么此時就是發生了死鎖。最終還連着邊的那些進程就是處於死鎖狀態的進程。
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死鎖的解除：
- 資源剝奪法。掛起（暫時放到外存上）某些死鎖進程，並搶占它的資源，將這些資源分配給其他的死鎖進程。
- 撤銷進程法（或稱終止進程法）。強制撤銷部分、甚至全部死鎖進程，並剝奪這些進程的資源。
- 進程回退法。讓一個或多個死鎖進程回退到足以避免死鎖的地步。這就要求系統要記錄進程的歷史信息，設置還原點。
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