对信号量的临界区保护

一、概念介绍

临界区(critical section)在任意时刻只允许一个进程对共享资源进行访问。一次只允许一个进程进入的该进程的那一段代码。对于临界资源的访问必须是互斥进行的，也就是当临界资源被占用时，另一个申请临界资源的进程会被阻塞，直到其所申请的临界资源被释放。而进程内访问临界资源的代码被称为临界区。

while(TURE){
    进入区
    临界区
    退出区
    剩余区
}

信号量(semaphores)允许多个进程(也可以是多个线程)同时使用共享资源。它指出了同时访问共享资源的最大进程数目。它允许多个进程在同一时刻访问同一资源，但是需要限制在同一时刻访问此资源的最大进程数目。
信号量除初始化外，仅能通过两个标准的P、V原子操作来访问。量用来记录，信号用来sleep和wakeup。
P的名称来源于荷兰语proberen，即test。
V的名称来源于荷兰语verhogen，即increment。

struct semaphore
{
   int value;//记录资源个数
   PCB *queue;//记录等待在该信号量上的进程
}
P(semaphore s);//消费资源
V(semaphore s);//产生资源

P操作

P(semaphore s){
   s.value--;
   if(s.value<0){
     sleep(s.queue);
   }
}

V操作

V(semaphore s){
  s.value++;
  if(s.value<=0){
     wakeup(s.queue);
  }
}

可以用临界区保护信号量，用信号量实现同步。

二、生产者消费者问题引入

共同修改信号量引出的问题：

第j次执行的empty结果就不对了。
错误由多个进程并发操作共享数据引起，且和调度顺序有关，难于发现和调试。

三、解决问题的直观想法

在写共享变量empty时阻止其他进程也访问empty。

四、临界区代码的保护原则

(1)互斥进入：如果一个进程在临界区中执行，则其他进程不允许进入。这些进程间的约束关系称为互斥，且这也保证了是临界区。
(2)有空让进：若干进程要求进入空闲临界区时，应尽快使一进程进入临界区。
(3)有限等待：从进程发出请求到允许进入，不能无限等待。

五、进入临界区的尝试

(1)轮换法：

互斥进入满足。
有空让进不满足，P0完成后不能接着再次进入，尽管进程P1不在临界区。

(2)标记法：

有限等待不满足。

(3)Peterson算法：

结合标记和轮转两种思想。
Peterson算法是一个实现互斥锁的并发程序设计算法，可以控制两个进程访问一个共享的单用户资源而不发生访问冲突。

互斥进入满足：如果两个进程都进入，则flag[0]=flag[1]=true，turn==0==1，矛盾。
有空让进满足：如果P1不在临界区，则flag[1]=false，或者turn=0，都能使p0进入。
有限等待满足：P0要求进入，flag[0]=true，后面的p1不可能一直进入，因为P1执行一次就会让turn=0。

(4)面包店算法：

仍然是标记和轮转的结合，不过这次是解决多个进程访问资源冲突的问题了。
轮转：每个进程都获得一个序号，序号最小的进入。
标记：进程离开时序号为0，不为0的序号即标记。

互斥进入满足：Pi在临界区内，Pk试图进入，一定有(num[i],i)<(num[k],k)，Pk循环等待。
有空让进满足：如果没有进程在临界区中，最小序号的进程一定能够进入。
有限等待：离开临界区的进程再次进入一定排在最后，所以任一个想进入的进程至多等n个进程。

为实现进程互斥地进入自己的临界区，有软件方法，也有硬件方法。上面介绍的都是软件方法。