第 4 章 · 进程同步

多线程并发访问共享数据产生竞态（结果取决于执行顺序）；同步就是约束并发。

4.1 临界区

临界区：访问共享资源的代码段，须满足：

1. 互斥：任一时刻至多一个进程在临界区。
2. 前进：临界区空闲时，想进去的进程能尽快进。
3. 有限等待：请求者等待时间有上界（不饿死）。

实现演进：软件法（Peterson，现代 CPU 乱序下已不可靠）→ 硬件法（关中断、TestAndSet/Swap 原子指令）→ 信号量/锁（封装硬件原语）。

4.2 信号量 PV 操作

信号量 = 整型变量 + 原子操作：

• P（wait）：s--，若结果 < 0 则阻塞自己。
• V（signal）：s++，若结果 ≤ 0 则唤醒一个等待者。

sem_t mutex = 1;          // 互斥信号量，初值 1
P(&mutex);                // 进入临界区前
/* 临界区 */
V(&mutex);                // 离开临界区后

初值 1 = 互斥锁；初值 N（>1）= 计数/资源管理（N 个空缓冲区）。

4.3 经典同步问题

• 生产者-消费者：满则生产者停，空则消费者停。用 empty（初值 N）+ full（初值 0）+ 互斥 mutex。P 顺序关键：先 P(empty) 再 P(mutex)，否则死锁。
• 读者-写者：多读可并发，写者独占；读者优先/写者优先/公平三策略，读者优先可能饿死写者。
• 哲学家就餐：5 哲学家，每人左右各一支筷，需同时拿两支才能吃。直接「先左后右」会死锁；解法：奇数先左偶数先右，或限制最多 4 人同时拿筷。

生产者-消费者典型实现（注意 P 顺序）：

// 生产者：先 P(empty) 再 P(mutex)，顺序不能反
P(&empty); P(&mutex);
put_item();
V(&mutex); V(&full);

// 消费者：先 P(full) 再 P(mutex)
P(&full); P(&mutex);
get_item();
V(&mutex); V(&empty);

4.4 互斥锁 vs 信号量

	互斥锁（mutex）	信号量（semaphore）
本质	二元信号量	计数信号量
用途	仅互斥	互斥 + 资源计数 + 同步顺序
所有权	谁加锁谁解锁（有 owner）	无所有权，任意线程可 V
递归	不可递归加锁	可多次 P
优先级	有优先级继承防优先级反转	通常无

忙等待（自旋锁）P 失败后循环 while (flag); 不放弃 CPU；阻塞则挂起让出 CPU。自旋锁不切上下文，适合临界区极短；阻塞适合临界区长（I/O），代价是一次上下文切换。