條件變量與信號(hào)量

條件變量

條件變量的引入是為了解決互斥鎖中的循環(huán)等待問題，其希望引入一種掛起综膀、喚醒的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)cpu的高效利用
使用條件變量解決生產(chǎn)者消費(fèi)者問題：

int empty_slot = 5;
int filled_slot = 0;
struct cond empty_cond;//緩沖區(qū)無空位（滿）
struct lock empty_cnt_lock;//互斥鎖
struct cond filled_cond;//緩沖區(qū)無數(shù)據(jù)（空）
struct lock filled_cnt_lock;//互斥鎖

void producer(void)
{
    int new_msg;
    while(TRUE){
        new_msg = prodece_new();
        lock(&empty_cnt_lock);//加鎖澳迫，進(jìn)入臨界區(qū)
        while(empty_slot == 0)//緩沖區(qū)無空槽
            //掛起當(dāng)前線程，并釋放互斥鎖（原子性）剧劝，其中兩個(gè)形參分別為條件變量和互斥鎖
            cond_wait(&empty_cond,&empty_cnt_lock);//等待slot>0橄登，故empty_cond
        empty_slot--;
        unlock(&empty_cnt_lock);
        
        buffer_add_safe(new_msg);//利用互斥鎖來生產(chǎn)
        
        lock(&filled_cnt_lock);
        filled_slot++;
        cond_signal(&filled_cond);//一般放在臨界區(qū)內(nèi)喚醒
        unlock(&filled_cnt_lock);
    }
}
void consumer(void)
{
    int cur_msg;
    while(TRUE){
        lock(&filled_cnt_lock);//加鎖，進(jìn)入臨界區(qū)
        while(filled_slot == 0)//緩沖區(qū)無數(shù)據(jù)
            //掛起當(dāng)前線程讥此，并釋放互斥鎖（原子性）拢锹，其中兩個(gè)形參分別為條件變量和互斥鎖
            cond_wait(&filled_cond,&filled_cnt_lock);
        filled_slot--;
        unlock(&filled_cnt_lock);
        
        cur_msg = buffer_remove_safe();
        
        lock(&empty_cnt_lock);
        empty_slot++;
        cond_signal(&empty_cond);//喚醒等待在此變量上的生產(chǎn)者
        unlock(&empty_cnt_lock);
        consume_msg(cur_msg);
    }
}

條件變量的實(shí)現(xiàn)中要注意，當(dāng)線程調(diào)用cond_wait()時(shí)需要將當(dāng)前線程加入等待隊(duì)列并原子地掛起當(dāng)前線程并釋放鎖

void cond_wait(條件變量萄喳，互斥鎖){
      加入條件變量的等待隊(duì)列
      原子掛起并放互斥鎖
      重新獲得鎖
}

信號(hào)量semaphore [?sem?f??r]

Dijkstra提出了信號(hào)量機(jī)制卒稳，并只可以通過P(Proberen 檢驗(yàn)) V(Verhogen 自增)操作來進(jìn)行更新信號(hào)量，一般分別用wait和singal表示他巨。wait檢查信號(hào)量的值充坑，小于等于0就循環(huán)等待，大于0就消耗資源染突，即減少信號(hào)量的值捻爷。signal會(huì)增加信號(hào)量的值供wait使用。
信號(hào)量解決生產(chǎn)者消費(fèi)者問題：

sem_t empty_slot;//空閑的緩沖區(qū)資源
sem_t filled_slot;//已經(jīng)填入的資源

void producer(){
    int new_msg;
    while(TRUE){
        new_msg = produce_new();
        wait(&empty_slot);//P操作
        buffer_add_safe(new_msg);//利用互斥鎖進(jìn)行安全增加信息
        signal(&filled_slot);//V操作
    }
}
void consumer(){
    int cur_msg;
    while(TRUE){
        wait(&filled_slot);//P操作
        cur_msg = buffer_remove_safe();//利用互斥鎖進(jìn)行安全消耗信息
        signal(&empty_slot);//V操作
        consume(cur_msg);
    }
}

信號(hào)量實(shí)現(xiàn)時(shí)存在一些問題：當(dāng)多個(gè)線程共享信號(hào)量時(shí)份企，如果不進(jìn)行原子更新信號(hào)量就會(huì)出現(xiàn)某個(gè)線程更新了舊值也榄，類似于CPU cache對(duì)不同線程的不可見問題。其次司志，就算原子更新甜紫，如果出現(xiàn)多個(gè)線程同時(shí)對(duì)信號(hào)量進(jìn)行減少操作降宅，會(huì)出現(xiàn)負(fù)值。
為了解決以上的問題囚霸，我們需要利用互斥鎖和條件變量來實(shí)現(xiàn)信號(hào)量

struct sem{
    int value;//沒有線程等待時(shí)钉鸯，value>=0,為剩余資源數(shù)；有線程等待則為等待的線程數(shù)
    int wakeup;//有線程等待時(shí)可用資源數(shù)
    struct lock sem_lock;
    struct cond sem_cond;
}

void wait(struct sem *S){
    lock(&S->sem_lock);
    S->value--;
    if(S->value < 0){
        do{
            cond_wait(&S->sem_cond, &S->sem_lock);
        }while(S->wakeup == 0);
        S->wakeup--;
    }
    unlock(&S->sem_lock);
}

void signal(struct sem *S){
    lock(&S->sem_lock);
    S->value++;
    if(S->value <= 0){
        S->wakeup++;
        cond_signal(&S->sem_cond);
    }
    unlock(&S-sem_lock);
}

進(jìn)入wait后首先將value-1邮辽，如果值>=0唠雕，則代表還有空閑資源，直接unlock吨述，如果小于0就查看wakeup岩睁，如果wakeup為0，就掛起線程揣云。

互斥鎖與信號(hào)量的異同

當(dāng)信號(hào)量的初值為1捕儒，且在0和1之間變化時(shí)，成為二元信號(hào)量邓夕。其與互斥鎖的區(qū)別在于：互斥鎖有擁有者這一概念刘莹，信號(hào)量則沒有》俑眨互斥鎖由同一線程加放鎖点弯，信號(hào)量可以由不同線程進(jìn)行PV操作。
計(jì)數(shù)信號(hào)量允許多個(gè)線程矿咕，且值為剩余可用資源數(shù)量抢肛。互斥鎖保證多個(gè)線程對(duì)一個(gè)共享資源的互斥訪問碳柱，信號(hào)量用于協(xié)調(diào)多個(gè)線程對(duì)一系列資源的訪問