计算机编程基础_（提升）操作系统

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同步

线程同步

互斥量（互斥锁）

临界资源是不可并发修改的共享资源。需要通过互斥量来保证线程安全。

如果两个线程操作指令交叉执行所得结果可能会不符合预期。使用互斥量可以保证先后执行。在下图左边是没有使用互斥量的情况下两个线程对10分别进行+1和-1操作，预期结果应该是10但实际结果是11，不符合预期。通过添加互斥量来保证线程操作是原子的，从而避免指令间交叉执行。

互斥量是最简单的线程同步方法，处于两态之一的变量：加锁和解锁。

操作系统直接提供了互斥锁的API，开发者可以直接使用API完成资源的加锁、解锁操作。

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

func main() {
    //num:  -413523
    //num:  0
    noMutex()
    fmt.Println("num: ", num1)

    withMutex()
    fmt.Println("num: ", num2)
}

var (
    num1 int
    num2 int
    cnt  = 1024 * 1024 * 8
    wg   sync.WaitGroup
    lock sync.Mutex
)

func noMutex() {
    wg.Add(1)
    go add()

    wg.Add(1)
    go sub()

    wg.Wait()
}

func add() {
    for i := 0; i < cnt; i++ {
        num1++
    }
    wg.Done()
}
func sub() {
    for i := 0; i < cnt; i++ {
        num1--
    }
    wg.Done()
}

func withMutex() {
    wg.Add(1)
    go add2()

    wg.Add(1)
    go sub2()

    wg.Wait()
}

func add2() {
    lock.Lock()
    defer func() {
        lock.Unlock()
        wg.Done()
    }()

    for i := 0; i < cnt; i++ {
        num2++
    }
}
func sub2() {
    lock.Lock()
    defer func() {
        lock.Unlock()
        wg.Done()
    }()

    for i := 0; i < cnt; i++ {
        num2--
    }
}

原子性

原子性是指一系列操作不可被中断的特性

这一系列操作要么全部执行完成，要么全部没有执行，不存在部分执行部分未执行的情况。

自旋锁

自旋锁也是一种多线程同步的变量。使用自旋锁的线程会反复检查锁变量是否可以，自旋锁不会让出CPU，是一种忙等待状态。会死循环等待锁被释放。

自旋锁避免了进程和线程上下文切换的开销。操作系统内部很多地方使用的都是自旋锁。自旋锁不适合在单核CPU使用。

无论是互斥锁，还是自旋锁，在任何时刻，最多只能有一个保持者，也就说，在任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁。但是两者在调度机制上略有不同。对于互斥锁，如果资源已经被占用，资源申请者只能进入睡眠状态。但是自旋锁不会引起调用者睡眠，如果自旋锁已经被别的执行单元保持，调用者就一直循环在那里看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁，"自旋"一词就是因此而得名

读写锁

对临界资源的操作读多写少，适合使用读写锁（读取的时候并不会改变临界资源的值）

读写锁是一种特殊的自旋锁。允许多个读者同时访问资源以提升性能，对于写操作则是互斥的。

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条件变量

是一种相对复杂的线程同步方法，条件变量允许线程睡眠，知道满足某种条件，当满足条件时，可以向该线程发送信号，通知唤醒。

缓冲区小于等于0时，不允许消费者消费，消费者必须等待；缓冲区满时，不允许生成者往缓冲区生产，生产者必须等待。

当生产者生产一个产品时，唤醒可能等待的消费者；当消费者消费一个产品时，唤醒可能等待的生产者。

线程同步方法对比

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进程同步

共享内存

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在某种程度上，多进程是共同使用物理内存的，由于操作系统的进程管理，进程内的内存空间是独立的。（进程默认是不能访问进程空间之外的内存空间的）

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共享存储允许不相关的进程访问同一片物理内存。

共享内存是两个进程之间共享和传递数据最快的方式。

共享内存未提供同步机制，需要借助其他机制管理访问。

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Unix域套接字

套接字（socket）原是网络通信中使用的术语

Unix系统提供的域套接字提供了网络套接字类似的功能。

提供了单机简单可靠的进程通信同步服务

只能单机使用，不能跨机器使用。

使用fork系统调用

fork系统调用无参数

fork会返回两次，分别返回子进程ID和0，返回子进程ID的是父进程，返回0的是子进程。