操作系统(五) 2023-08-12

上一篇我们介绍了锁的概念，通过硬件和操作系统提供的能力来实现锁。然而，锁并不是并发程序设计所需的唯一原语。 具体来说，在很多情况下，线程需要检查某一条件(condition)满足之后，才会继续运行。例如线程的 Join 函数。

条件变量

线程可以使用条件变量(condition variable)(，来等待一个条件变成真。条)变量是一个显式队列，当某些执行状态(即条件，condition)不满足时，线程可以把自己加入队列，等待(waiting)该条件。另外某个线程，当它改变了上述状态时，就可以唤醒一个或者多个等待线程(通过在该条件上发信号)，让它们继续执行。

信号量

信号量是有一个整数值的对象，可以用两个函数来操作它。在 POSIX 标准中，是 sem_wait() 和 sem_post():

#include <semaphore.h>
sem_t s;
sem_init(&s, 0, 1);

首先，sem_wait() 要么立刻返回(调用 sem_wait() 时，信号量的值大于等于 1)，要么会让调用线程挂起，直到之后的一个 post 操作。当然，也可能多个调用线程都调用 sem_wait()，因此都在队列中等待被唤醒。
其次，sem_post() 并没有等待某些条件满足。它直接增加信号量的值，如果有等待线程，唤醒其中一个。
最后，当信号量的值为负数时，这个值就是等待线程的个数。

接下来我们介绍一些信号量的应用。

二值信号量(锁)

sem_t m;
sem_init(&m, 0, 1);
sem_wait(&m);

// critical section here

sem_post(&m);

上例是用信号量来实现锁。因为锁只有两个状态，所以这种用法有时也叫作二值信号量(binary semaphore)。

信号量用作条件变量

信号量也可以用在一个线程暂停执行，等待某一条件成立的场景。

sem_t s;

void *child(void *arg) {
  printf("child\n");
  sem_post(&s); // signal here: child is done
  return NULL;
}

int main(int argc, char *argv[]) {
  sem_init(&s, 0, 0); 
  printf("parent: begin\n");
  pthread_t c;
  Pthread_create(c, NULL, child, NULL);
  sem_wait(&s); // wait here for child
  printf("parent: end\n");
  return 0;
}

实现信号量

利用底层的同步原语(锁和条件变量)，来实现一个信号量:

typedef struct _Zem_t {
  int value;
  pthread_cond_t cond;
  pthread_mutex_t lock;
} Zem_t;

// only one thread can call this
void Zem_init(Zem_t *s, int value) {
  s->value = value;
  Cond_init(&s->cond);
  Mutex_init(&s->lock);
}

void Zem_wait(Zem_t *s) {
  Mutex_lock(&s->lock);
  while (s->value <= 0)
    Cond_wait(&s->cond, &s->lock);
  s->value--;
  Mutex_unlock(&s->lock);
}

void Zem_post(Zem_t *s) {
  Mutex_lock(&s->lock);
  s->value++;
  Cond_signal(&s->cond);
  Mutex_unlock(&s->lock);
}