背景
操作系统存在并发问题：竞态条件，即多程序并发存在大的问题
操作系统同步指多线程共享公共资源的协调执行，包括互斥和条件同步。互斥指同一时间只有一个线程可以在临界区执行。
实际条件中，确保同步正确很难。需要高层次的编程抽象（如：锁）和底层硬件支持编译。
信号量和管程是比lock更高级的解决方法。
信号量
信号量（sem）是抽象数据类型：
- 一个整形（sem），两个原子操作（P【减】,V【增】，荷兰语）
- P（）：sem减1，如果sem<0，等待，否则继续
- V（）：sem加1，如果sem<=0，唤醒一个等待的IP
信号量的使用
- 信号量是整数，初始值一般设为大于0 的数，在P操作的时候不会阻塞
- 信号量是被保护的变量
- 初始化完成后，唯一改变一个信号量的值的方法是通过P( )/V( )
- 操作必须是原子
- P( )能够使进程阻塞/挂起，V( )能唤醒进程
- 假定信号量是“公平的”
- 没有线程被阻塞在P( )仍然阻塞如果V( )被无限频繁调用（在同一个信号量）
- 在实践中，FIFO经常被使用
- 信号量有两种类型
- 二进制信号量：0/1，与lock达到相同功能
- 一般/计数信号量：可取任何非负值
- 两者相互表现（给定一个可以实现另一个）
- 信号量可以用在两个方面
- 互斥
- 条件同步（调度约束 - 一个线程等待另一个线程的事情发生）
- 用信号量实现互斥
信号量的实现
管程（monitor）
目的： 分离互斥和条件同步的关注
管程：
- 一个锁：指定临界区
- 0或多个条件变量：等待/通知信号量用于管理并发访问共享数据
一般方法：
- 收集在对象/模块中的相关共享数据
- 定义方法来访问共享数据
条件变量Condition Variable：
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- 允许等待状态进入临界区
- 允许处于等待（睡眠）的线程进入临界区
- 某时刻原子释放锁进入睡眠
- wait() operation
- 释放锁，睡眠、重新获得锁后返回
- signal() operation（or broadcast() operation）
- 唤醒等待者（或所有等待者），如果有
实现：
- 线程以互斥的方式（lock）进入管程（entry queue）
- 进入管程的线程开始执行管程内部维护的函数
- 执行函数过程中，需要对共享资源进行等待的时候，当前线程挂起在相应的条件变量上，并释放lock（条件变量下是挂起的队列，当满足条件变量的时候，唤醒线程。对条件变量有两个操作：wait x/signal x）
如果在管程中线程A睡眠，会唤醒另一个线程B进入管程，那么在A的lock release前，线程的执行顺序一般是先执行A到lock release然后执行B（Hansen-style）。
经典同步问题
- 读者和写者问题
- 哲学家吃饭问题
信号量和管程的总结
同步结构：
- 锁：互斥
- 条件变量：有条件的同步
- 其他原语：信号量