程序同步是一個作業系統級別的概念,是在多道程式的環境下，存在著不同的制約關係，為了協調這種互相制約的關係，實現資源共享和程序協作，從而避免程序之間的衝突，引入了程序同步。而互斥和同步之間存在聯絡所以，這裡先引入互斥概念。

1、概念

     程序之間的間接制約關係。當一個程序進入臨界區使用臨界資源時，另一個程序必須等待。只有當使用臨界資源的程序退出臨界區後，這個程序才會解除阻塞狀態。

2、原因

由於程序具有獨立性和非同步性等併發特徵，計算機的資源有限，導致了程序之間的資源競爭和共享，也導致了對程序執行過程的制約。

臨界資源：把一次（一段時間內）僅允許一個程序使用的資源稱為臨界資源。

臨界區：把不允許多個併發程序交叉執行的一段程式稱為臨界區（critical region）或臨界部分（critical section）。

3、互斥準則：

1. 平等競爭：不能假設各併發程序的相對執行速度。即各併發程序享有平等地、獨立地競爭共有資源的權利，且在不採取任何措施的條件下，在臨界區內任意指令結束時，其他併發程序可以進入臨界區。
2. 不可獨佔：併發程序中的某個程序不在臨界區時，它不能阻止其他程序進入臨界區。
3. 互斥使用：併發程序中的若干個程序申請進入臨界區時，只能允許一個程序進入。
4. 有限等待：併發程序中的某個程序從申請進入臨界區時開始，應在有限時間內得以進入臨界區。

4、實現互斥

    1、加鎖：對臨界區加鎖以實現互斥。當某個程序進入臨界區後，它將鎖上臨界區，直到它退出臨界區為止。併發程序在申請進入臨界區時，首先測試該臨界區是否上鎖。

    2、訊號量：在作業系統中，訊號量sem是一個

• sem >= 0時，代表可供併發程序使用的資源實體數；
• sem < 0時，表示正在等待使用臨界區的程序數。

   P、V原語

訊號量的數值僅能由P、V原語操作改變。採用P、V原語，可以把類名為S的臨界區描述為：When S do P(sem) 臨界區 V(sem) od。

• 一次P原語操作使訊號量sem減1
• 一次V原語操作使訊號量sem加1

P原語操作：

1. sem減1；
2. 若sem減1後仍大於或等於0，則P原語返回，該程序繼續執行；
3. 若sem減1後小於0，則該程序被阻塞後進入與該訊號相對應的佇列中，然後轉程序排程。

V原語操作：

1. sem加1；
2. 若相加結果大於0，V原語停止執行，該程序返回呼叫處，繼續執行；
3. 若相加結果小於或等於0，則從該訊號的等待佇列中喚醒一個等待程序，然後再返回原程序繼續執行或轉程序排程。

                        P原語操作流程                                                                   V原語操作流程

由上分析可知：只要把臨界區置於P(sem)和V(sem)之間，即可實現程序之間的互斥。

設sem為互斥訊號量，其取值範圍為（1，0，-1）。其中sem=1表示程序P_A和P_B都未進入類名為S的臨界區，sem=0表示程序P_A或P_B已進入類名為S的臨界區，sem=-1表示程序P_A和P_B中，一個程序已進入臨界區，而另一個程序等待進入該臨界區。