真正的知識是深入淺出的，碼農翻身” 公共號將苦澀難懂的計算機知識，用形象有趣的生活中例項呈現給我們，讓我們更好地理解。

1、批處理和離線列印

印表機程式，準確的說是印表機程序，在這個批處理系統中生活得非常自在，它所在的機器叫做IBM1401，除了列印之外什麼也不幹，每天大部分時間都是歇著。

這個系統還有兩臺機器，一臺還是IBM1401，它專門收集程式設計師寫出來的穿孔卡片，然後轉成磁帶。  然後，操作員把磁帶輸入到IBM7094這個昂貴又強大的計算機上執行，執行結果也會輸出到磁帶上。 最後磁帶被拿到1401上進行列印， 這叫做離線列印（不和7094相連線）。如下圖：

圖一、離線列印

在沒有磁帶來的時候，印表機程式無所事事，這就是離線列印的好處。更大的好處是，磁帶上需要列印的東西都是順序的，一個接一個列印就可以了，完全沒有衝突的問題。這是沒辦法的事情，那時候的計算機，尤其是IBM 7094太過昂貴，要充分的利用它的每一分每一秒，然後就想出了這樣一個收集程式，然後成批處理的點子。 

2、假離線列印

隨著計算機系統的發展，列印程式的好日子很快就結束了，電腦越來越便宜，最後每個人的桌子上都有一臺電腦了。個人電腦的計算能力更是強大的驚人，列印程式也被整合進了個人電腦裡，和其他各種各樣的程式生活在一起。列印的需求仍然很強烈，像Word、WPS、Excel 、 IE、Chrome...這些程式時不時都要列印，這時候衝突就會產生。 因為只有一個印表機，到底先列印誰的文件就是個大問題。最後作業系統老大想了個辦法，專門開闢了一塊空間，誰要想列印的話就按照先來後到的次序排隊放在那，原來的列印程序變成了一個列印守護程序，會週期性的檢查是否有檔案列印，如果有則取出隊伍排頭的，打印出來，然後刪除佇列中檔案。列印程序覺得這和原來的離線列印很像，只不過用一個佇列替換了原來的磁帶，所以就叫做假離線列印

圖二、假離線列印

3、衝突

但是這個佇列可不是原來的磁帶了，它完全是個動態變化的東西，試執行還不到20秒，衝突就出現了。 

WPS氣沖沖的來著印表機程序：“印表機，你怎麼搞的？我的放假通知.wps 為什麼沒有列印？” 

印表機：“我沒看到什麼放假通知.wps啊！”

WPS：“我明明放在了編號為3的槽裡，怎麼可能沒有了？”

在作業系統老大的協助下，大家查了半天，才知道是Word引起的：

當時Word 插了一腳，也進來列印，讀到了in = 3，就是說佇列中編號為3的槽是空著的，他把3這個值放到了自己的區域性變數free_slot中，這時候發生了一次時鐘中斷，作業系統老大認為Word已經運行了足夠長的時間，決定切換到WPS程序。 

WPS也讀到了in = 3，把3 也存到自己的區域性變數free_slot中，現在Word和WPS都認為下一個空的槽是3！

WPS接著幹活，他把檔案放到了第3號槽裡，並且把in 改為4，然後離開了。接下來又輪到Word運行了，它發現free_slot 為3，就把檔案也放到了第3號槽裡，把free_slot 加1，得到4，存入in 中。可憐的WPS，他的檔案被覆蓋掉了。

但是印表機程式啥也察覺不出來，照樣列印不誤。  

圖三、衝突

4、臨界區

很明顯，Word和WPS 這兩個程序甚至多個程序在讀寫in這個共享變數的時候，最後的結果嚴重依賴於程序執行的精確次序，這次是WPS的檔案被覆蓋掉了，下次可能就是Word了。 
這種對共享變數，共享記憶體，共享資源進行訪問的程式片段叫做臨界區。程式碼在進入臨界區之前一定要做好同步或者互斥的操作。
WPS說：“老大，當時你切換Word的時候是不是發生了一次時鐘中斷 ？”
作業系統：“是啊，有了時鐘中斷我才能計算時間，然後做程序切換啊！”
“那在訪問這個in共享變數的時候，我們自己能不能把這個中斷給遮蔽？這樣就不會有程序切換，肯定沒問題了。” Word問道。
“你想的美，時鐘中斷是最基本的東西，我把這個許可權給了你們應用程式，到時候那個傢伙遮蔽以後忘記開中斷，我們整個系統就要完蛋了！” 作業系統狠狠的瞪了Word 一眼，Word趕緊噤聲。 
“不過我聽說有些機器提供了一個特別的指令，這個指令能檢查並且設定記憶體的值，而不會被打斷，叫做TestAndSet，如果用C語言描述的話，類似這樣：”

bool TestAndSet(bool *lock){
  bool rv = *lock;
  *lock = true;
  return tv;      
}

“需要注意的是，這個函式中的三條指令是“原子”執行的，也就是說不會被打斷。你們要是想用的話可以這樣用：”

bool lock = false;
while(TestAndSet(&lock)){
  ;//什麼也不做  
}

臨界區;
lock = false;
剩餘區;

WPS說：“看起來有點複雜，讓我想想啊，我和Word 的臨界區程式碼，就是‘訪問in變數，放入待列印檔案，然後把in 加1’ 。那在進入臨界區之前，我們倆都會呼叫TestAndSet。如果是我先呼叫，lock會被置為true，函式就會返回false。我就跳出了迴圈，可以進行後續臨界區操作了，而Word 在呼叫 TestAndSet的時候，函式一直返回true，他只好不停的在這裡迴圈了。”
“是啊！”，Word 接著說，“我會不停的迴圈，直到WPS 離開臨界區，然後把lock置為false。 ”
“這個方法看起來很簡單啊，只要一個變數加上一個函式就能讓我和Word 進行互斥操作。”
作業系統說： “是的，實現了你們兩個的互斥，但是並不是所有的機器都會提供這樣的指令，所以也不通用。”

5、生產者-消費者

印表機程序說：“你們討論了半天，只是解決了兩個程序往佇列裡放檔案的衝突問題，現在也得考慮考慮我了。”
“有你啥事？”，Word和WPS 都不以為然。
“你們想想，那個列印佇列對5個‘槽’，要是滿了就沒法往裡邊放了，你們都得等；要是空了，我就得等你們往裡邊放東西，所以咱們之間是不是也得同步？”
“這就是所謂的生產者和消費者問題，也是個老大難問題了”，老大總結道。 
“那用剛才那個鎖好像不行啊，它能搞定互斥，但是做多個程序的同步就有點力不從心了。”
作業系統老大說：“聽說荷蘭有個叫Dijkstra的，發明了一個訊號量（semaphore）的東西，能解決這個問題。”

圖四、科學家Dijkstra.

“訊號量是什麼鬼？訊號燈嗎？ ”
"所謂訊號量，說白了其實就是一個整數，基於這個整數有兩個操作：wait 和 signa。”

int s;
wait(s){
  while(s <= 0){
        ;//什麼也不做
    }  
    s--;
}        

signal(s){
  s++;  
}

“這....這....這是啥玩意兒，這麼簡單，能解決啥問題？再說了你看看這s++、s--和我們佇列中的in、out不是一樣嗎？在多程序切換下自身正確性都難保，還能解決別人的問題？” ，WPS吃驚的問。
“WPS 問的好啊，說明他思考了，實際上這個東西必須得我出馬來實現”，作業系統老大說，“ 我會在核心實現wait 和signal，讓你們呼叫，比如我在做s++、s-- 時，我可以遮蔽中斷。”
 Word說：“這個簡單的小東西有點意思，比如我們倆可以用它做互斥：”

int lock = 1;
wait(lock);
臨界區;
signal(lock);
剩餘區;

列印程序說：“既然訊號量是個整數，也許可以解決我們消費者-生產者直接的同步問題。”

int lock = 1;
int empty = 5;
int full = 0;

生產者:
while(true){
  //如果empty的值小於等於0，生產者只好等待
  wait(empty);
  //加鎖（因為要操作佇列，和其它生產者互斥）
  wait(lock);
  把新產生的檔案加入佇列;
  //釋放鎖
  signal(lock);
  //通知消費者佇列中已經產生了新的檔案
  signal(full);     
}

消費者:
while(true){
  wait(full);
  wait(lock);
  把佇列頭的檔案列印，刪除;
  signal(lock);
  signal(empty);
}

Word說:“我的天，真是複雜啊，容我想想，我和WPS都是生產者。假設我們倆都開始執行生產者程式碼，先去wait(empty)，發現沒有問題，因為empty的初始值為5。接下來都去執行wait(lock)，這時候就看誰先搶到了。如果我先搶到，我就可以往佇列里加檔案，然後釋放鎖，WPS就可以接著放檔案了。最後我還要把full這個值加一，目的是印表機程序可能在等待。恩，看起來不錯！”
作業系統老大說：“是啊！在多程序下，由於程序的執行隨時都有可能被打斷，還要保證正確性，不能出一點閃失。這對程式設計師的挑戰很大，出現了疏漏，很難定位。”
列印程序說：“老大，我注意到wait函式中，如果s 的值 為0或小於0 ，那個while 迴圈會一直執行，CPU豈不是一直在忙等？”
“確實是這樣，我們改進下，讓忙等的程序進入休眠吧，很明顯，這件事還得我做啊”， 作業系統說道。

//把整數型訊號量封裝成一個結構體
typedef struct{
  int value;
  struct process *list;//process程序就緒佇列
}semaphore;

wait(semaphore *s){
  s->value--;
  if(s->value < 0){
    把當前程序加到s->list中;
    block();//把程序休眠，放棄cpu
  }
}

signal(semaphore *s){
  s->value++;
  if(s->value <= 0){
    從s->list中取出一個程序p
    wakup(p);//喚醒程序p
  }
}

WPS說:“唉，真是好複雜！不過我想起一個問題，這些wait、signal 能用到我們內部的執行緒的同步上嗎？”
“當然可以，概念上是一致的，都是訪問共享資源的程式，需要做同步和互斥操作，可能表現形式不同。”
“難道那些程式設計師們真的要使用這些wait、signal 程式設計嗎？多容易出錯啊！”
“一般來說，程式設計師們所使用的工具和平臺會做抽象和封裝，例如在Java JDK中，已經對執行緒的同步做了封裝了，對於生產者-消費者問題，可以直接使用BlockingQueue。非常簡單，完全不用你去考慮這些wait、signal、full、empty。”

//建立一個佇列，其中佇列中已經對wait和signal操作做了封裝
BlockingQueue queues = new LinkedBlockingQueue(10);

生產者:
//如果佇列滿，執行緒自動阻塞，直到有空閒位置
queues.put(xxx);

消費者:
//如果佇列空，執行緒自動阻塞，直到有資料到來
queues.take();

WPS說：“果然是抽象大法好，這多簡單啊。”

作業系統說：“是啊！無論是什麼東西，抽象以後用起來好多了。但是還是要了解底層，這樣出現了類似於BlockingQueue這樣的新概念， 你能迅速搞明白。”

（完）

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