程序同步（synchronization）：指系統中多個程序中發生的事件存在某種時序關係，需要相互合作，共同完成一項任務。形象的說。一個程序執行到某一點時，要求另一夥伴程序為它提供訊息，在未獲得訊息之前，該程序進入阻塞態，獲得訊息後被喚醒進入就緒態。

程序同步機制

一、訊號量及PV操作

訊號量是一個特殊變數，用於程序間傳遞資訊，通常是一個整數值，由Dijkstra提出，最初用於解決互斥問題，訊號量只有兩個（0,1），稱作二元訊號量； 後來推廣到多值，用於解決同步問題。注意訊號量是一個靜態的值，多個程序可以共享這個記憶體單元 這裡我們舉例定義一個訊號量的結構體（也可以定義為一個單一整型）定義如下：

struct semaphore{
    int count;
    queueType queue;
}s;
 

其中count用於傳遞資訊，程序可以掛到佇列queue上 對訊號量可以實施的操作只有三個：1、初始化；2、P操作；3、V操作（P、V分別是荷蘭語proberen（test）和verhogen（increment）） P操作：

P(s){
    s.count--;
    if(s.count < 0){
        //將呼叫P操作的程序狀態置為阻塞態，並插入相應等待佇列s.queue末尾；
        //重新排程
    }
}

V操作：

V(s){
    s.count++;
    if(s.count <= 0){
        //喚醒s.queue中等待的一個程序，改變其狀態為就緒態，並將其插入就緒佇列
        //並不會立即切換到被喚醒的程序，而是呼叫V操作的程序繼續執行
    }
}
 

用PV操作解決程序間互斥問題

對同一個訊號量的PV操作在相同的程式碼塊，即可解決互斥問題

• 劃定臨界區
• 設定訊號量count初值為1
• 在臨界區前實施P(s)
• 在臨界區之後實施V(s)

s.count = 1;
P(s.count);
//臨界區
V(s.count)

用PV操作解決同步問題（生產者消費者問題）

如果對同一個訊號量的PV操作分部在不同的程式碼塊中，就很巧妙的解決了同步問題

void producer(void){ int item; while(TRUE){ item = produce_item(); P(&empty); P(&mutex);//解決互斥 insert_item(item); V(&mutex); V(&full); } }

void consumer(void){ int item; while(TRUE){ P(&full); P(&mutex); item = remove_item(); V(&mutex); V(&empty); consume_item(item); } }

其中empty是空緩衝區的個數，也就是可以生產多少item，初值為N； full表示滿緩衝區的個數，即可消費的item有多少，初值為0； mutex初值為1，用於解決互斥問題； 可以看到，對empty和full的操作分佈在不同的函式中，在producer中，如果空緩衝區個數滿了，則進入阻塞態，等待消費者消費，同理consumer，一開始full為0，則阻塞等待生產者生產，當生產者生產item之後會進行V(&full)操作喚醒消費者被阻塞的程序 思考： 1、這兩個函式中的兩個P操作是否可以顛倒 如果消費者程序先執行，會將mutex上鎖，且自身由於無item可消費，進入阻塞態；而生產者由於mutex互斥，無法將item放入緩衝區，這樣就造成了死鎖 2、兩個V操作是否可以顛倒 由於V操作不會使得呼叫V操作的程序進入阻塞態，因此是可以的，但是互斥在設計的原則應將臨界區範圍縮到最小，這樣不會影響生產和消費的效率

二、管程

由於PV操作在界定臨界區及解決互斥問題容易出錯，編寫程式較困難，因此出現了管程這種更完善的同步機制 管程是由共享資源資料結構及在其上操作的一組過程（方法、函式）組成 程序和管程的關係： 程序只能通過呼叫管程中的過程來間接訪問管程中的資料結構 管程是互斥進入的，其互斥性是由編譯器負責保證； 同步的解決方案是在管程中設定條件變數及wait/signal操作。這裡需要注意，如果一個程序或執行緒在條件變數上等待，應該先釋放管程的使用權，使其他執行緒或程序可以操作管程

管程的種類

當一個執行緒進入管程並執行喚醒操作（A喚醒B），這時管程中就存在兩個同時處於活動狀態的程序，A和B執行的先後順序不同，導致管程的種類不同

1. A等待，B執行，例如Hoare管程
2. A繼續執行，B等待，典型有MESA管程
3. 喚醒操作為管程中最後一個可執行操作，意思就是A在喚醒B之後立刻出管程，B在管程內繼續執行，採用這種策略的有Hansen管程

Hoare管程

• 管程入口處設定一個程序等待佇列，因為管程是互斥進入的，因此設定一個入口等待佇列讓試圖進入已被佔用的管程的程序等在佇列中
• 如果一個程序不滿足條件，則進入阻塞態，等在條件變數上，每個條件變數都有獨立的佇列
• 如果程序A喚醒程序B，則A等待，B執行，而A等待在緊急等待佇列中，緊急等待佇列的優先順序高於入口等待佇列

條件變數是在管程內部使用的一種特殊型別的變數（靜態），假設定義為c，條件變數的等待佇列為cqueue 對於c，可以執行wait(c)和signal(c)操作 wait(c)：如果緊急等待佇列為非空，喚醒第一個等待者；否則釋放管程互斥權，入口等待佇列隊首的程序進入管程，執行此操作的程序進入cqueue的隊尾 signal(c)：如果cqueue為空，則相當於空操作，執行此操作的程序繼續執行；否則喚醒第一個等待者，執行此操作的程序進入緊急等待佇列的末尾

Hoare管程的缺點

由於Hoare管程在A喚醒B後立刻執行B，此時A的時間片並沒有用完，導致增加了許多上下文切換的操作，為了避免這種弊端，MESA管程應運而出

MESA管程

MESA管程的沒有signal操作，而被稱作notify，更形象 notify操作通知一個等在cqueue上的程序被轉移到緊急等待佇列中，假如A程序執行notify(c)，使得B程序進入緊急等待佇列，當A被切換下cpu時，不能保證立刻將B切換執行，中間有可能有多個程序影響條件變數c，因此在B程序執行前還需要檢查條件變數是否成立 優化：

1. 可以在執行notify操作時，關聯一個動作，這個動作將條件變數上等待了一定時間的程序無論是否被notify都切換為就緒態，避免個別程序由於等待無限期推遲而處於飢餓狀態
2. notify改進為notifyAll

管程的應用

我們用管程解決生產者和消費者問題（這裡只給出了生產insert的操作，採用Hoare管程）

class Monitor{
    static final int N = 100;
    private int buffer[] = new int[N];
    private int count = 0, hi = 0;
    
    /**
     * 用synchronized解決互斥
     */
    public synchronized void insert(int item) {
        if(count == N)
            go_to_sleep();
        
        buffer[hi] = item;
        hi = (hi+1) % N;//update hi
        count += 1;
        if(count == 1)
            notify();
    }
}

如果採用MESA管程，要將 if(count == N)改為 while(count == N) 因為MESA管程需要不斷檢查條件變數，並不是直接可以執行