競爭條件
兩個或多個程序讀寫某些共享資料，而最後的結果取決於程序執行的精確時序，稱為競爭條件。凡涉及到資源的共享時就容易發生這樣的事情。解決的辦法是設立臨界區，讓程序互斥地訪問共享資源。一個好的避免競爭條件的方案，必須滿足4個條件：
任何兩個程序不能同時處於臨界區。
不應對CPU的速度和數量做任何假設。
臨界區外執行的程序不得阻塞其它程序。
不得讓程序無限期等待進入臨界區。

忙等待互斥
1.遮蔽中斷
程序在進入臨界區時遮蔽中斷（包括時鐘中斷），離開臨界區時開啟中斷。這使得CPU無法切換到其它程序。這種方案的缺點在於，將中斷遮蔽的程序可能不再將中斷開啟，導致CPU永遠無法切換程序；而且遮蔽的只是該程序對應的CPU的中斷，其它沒有被遮蔽中斷的CPU仍然可以訪問共享資源。在多核系統中，這種方法並不適用。

2、鎖變數
程序進入臨界區之前必須先持有鎖，然後將鎖佔有，其它程序得不到所而在臨界區外等待。但這種方案的缺陷在於，程序在判斷鎖可用到佔有鎖之間可能會被排程，另一個程序同樣發現鎖可用並進入臨界區。這會導致兩個程序同時進入臨界區。

3、嚴格輪換法
程序等待某個變數被置位後才能進入臨界區，如下圖所示：

程序a在turn變為0之前迴圈等待；程序b在turn變為1之前迴圈等待。這屬於忙等待，很顯然浪費了CPU時間。用於忙等待的鎖稱為自旋鎖。這種方案的問題在於，兩個程序必須按照嚴格的順序交替進入臨界區，這會降低速度較快的程序的執行效率。也就是違反了上述條件3.

4、Peterson演算法
該演算法非常簡單且有效，僅由兩個C函式構成：

關鍵的一點在於enter_region函式中的while迴圈，當兩個程序同時進入enter_region函式時，能夠確保先進入該函式的程序進入臨界區，而後進入的在while迴圈出等待。

5、TSL/XCHG指令
TSL指令的形式如下：
TSL RX, LOCK    # 將LOCK讀入暫存器RX並將1寫入LOCK所在記憶體，讀和寫是一個不可分割的原子操作
執行TSL的CPU將鎖住匯流排，這使得其它任何CPU都無法訪問共享記憶體，相當於遮蔽中斷的改進版。使用TSL指令的使用方法如下所示：

另一條指令XCHG原子性地交換兩個位置的內容，所以它可作為TSL指令的替代品控制程序進入臨界區，原理實際上和上圖是一樣的，如下圖所示。所有的Intel x86 CPU在底層同步中使用了XCHG指令。

休眠與喚醒
上述方案有一個共同的缺點就是程序在無法進入臨界區時，處於忙等待狀態，這浪費了CPU時間。要使程序在無法進入臨界區時阻塞，而不是等待，可以使用程序間通訊原語。例如：sleep、wakeup等。以下是另外一些程序間互斥、同步的方案。

1、訊號量
由大神Dijkstra提出，它包括down（P，表示嘗試）和up（V，表示增加）兩種操作，所以又稱PV操作：
down：檢查訊號量的值是否大於0，大於0則減1並繼續，等於0就休眠程序，整個操作不可分割。
up：對訊號量值增1，喚醒由於down操作而休眠的程序，使其繼續執行未完成的down操作，整個操作不可分割。
訊號量可用於程序間的互斥和同步。
互斥：在同一時刻只有一個程序能夠進行操作。例如互斥地進入臨界區。
同步：程序間的執行需要按照某種先後順序。例如生產者發現緩衝區滿時要停止；消費者發現緩衝區空時要停止。
使用訊號量解決生產者-消費者的例子：

其中，empty和full是用來實現同步的訊號量；mutex是用來實現互斥地訊號量。

2、互斥量
無計數能力，是訊號量的一個簡化版本。互斥量包含兩個狀態：解鎖（0）和加鎖（1）。執行緒加鎖和解鎖函式mutex_lock、mutex_unlock的實現如下：

這裡的mutex_lock和上面的enter_region的區別在於：呼叫mutex_lock的執行緒無法進入臨界區時會釋放CPU（thread_yield函式）執行另外的執行緒；而呼叫enter_region會不斷迴圈測試（忙等待），直到臨界區可用。

3、管程
使用訊號量和互斥量存在一個問題：死鎖。例如上面的訊號量部分程式碼中，如果將down(&empty)和down(&mutex)順序對調，那麼就有可能發生死鎖。原因在於當生產者先鎖住mutex，然後empty為0休眠後，消費者由於得不到mutex鎖而休眠，這樣兩個程序將永遠休眠下去。使用管程可解決這一問題。管程由過程、變數、資料結構等組成的一個模組，程序間必須互斥地訪問這個模組中的過程，如下圖所示。管程的重要特性是，在任一時刻管程中只能有一個活躍程序。

上圖有一個名為example的管程，包含一個整型變數i、一個條件變數c和兩個過程。管程為程序的互斥訪問提供了環境，接下來要解決的是同步問題。解決方法是使用條件變數：當管程中的過程發現自己無法繼續執行時（例如生產者發現緩衝區滿），會在某個條件變數身上執行wait操作阻塞自身並將其它程序調入管道；另一個程序（如消費者）對緩衝區進行消費後，可以呼叫signal向條件變數傳送訊號以喚醒因呼叫wait而阻塞的程序（如生產者），然後自身退出管程，被喚醒的程序進入管程。

4、訊息傳遞
通過兩條原語send和receive在程序間進行通訊，send為傳送訊息而receive為接收訊息（有可能發生阻塞），也就是讓訊息稱為共享資源的載體。使用訊息傳遞機制解決生產者-消費者問題的程式碼如下：

5、屏障
一種應用於程序組的同步機制。它規定，所有程序都完成了第n階段，才能進入第n+1階段。也就是說，當有程序完了第n階段而另一些程序沒有完成第n階段時，完成的那些程序是需要阻塞等待未完成程序的，如下圖所示。這可以在每個階段的末尾新增屏障來實現這一功能。

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作者：Nestler 
來源：CSDN 
原文：https://blog.csdn.net/nestler/article/details/37727689 
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