================ 第十課  執行緒同步 ================
一、競爭與同步 --------------
當多個執行緒同時訪問其所共享的程序資源時， 需要相互協調，以防止出現數據不一致、 不完整的問題。這就叫執行緒同步。
範例：vie.c
理想中的原子++：
-----------------+-----------------+------        執行緒1     |       執行緒2     | 記憶體 --------+--------+--------+--------+------  指  令 | 暫存器 | 指  令 | 暫存器 | g_cn --------+--------+--------+--------+------  讀記憶體 |    0   |        |        |   0  算加法 |    1   |        |        |   0  寫記憶體 |    1   |        |        |   1         |        | 讀記憶體 |    1   |   1         |        | 算加法 |    2   |   1         |        | 寫記憶體 |    2   |   2 --------+--------+--------+--------+------
現實中的非原子++：
-----------------+-----------------+------        執行緒1     |       執行緒2     | 記憶體 --------+--------+--------+--------+------  指  令 | 暫存器 | 指  令 | 暫存器 | g_cn --------+--------+--------+--------+------  讀記憶體 |    0   |        |        |   0         |        | 讀記憶體 |    0   |   0  算加法 |    1   |        |        |   0         |        | 算加法 |    1   |   0  寫記憶體 |    1   |        |        |   1         |        | 寫記憶體 |    1   |   1 --------+--------+--------+--------+------
二、互斥量 ----------
int pthread_mutex_init (pthread_mutex_t* mutex,     const pthread_mutexattr_t* mutexattr);
亦可
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int pthread_mutex_lock (pthread_mutex_t* mutex);
int pthread_mutex_unlock (pthread_mutex_t* mutex);
int pthread_mutex_destroy (pthread_mutex_t* mutex);
1) 互斥量被初始化為非鎖定狀態；
2) 執行緒1呼叫pthread_mutex_lock函式，立即返回，    互斥量呈鎖定狀態；
3) 執行緒2呼叫pthread_mutex_lock函式，阻塞等待；
4) 執行緒1呼叫pthread_mutex_unlock函式，    互斥量呈非鎖定狀態；
5) 執行緒2被喚醒，從pthread_mutex_lock函式中返回， 互斥量呈鎖定狀態；
...
範例：mutex.c
三、訊號量 ----------
訊號量是一個計數器，用於控制訪問有限共享資源的執行緒數。
#include <semaphore.h>
// 建立訊號量 int sem_init (sem_t* sem, int pshared,     unsigned int value);
sem     - 訊號量ID，輸出。
pshared - 一般取0，表示呼叫程序的訊號量。           非0表示該訊號量可以共享記憶體的方式，           為多個程序所共享(Linux暫不支援)。
value   - 訊號量初值。
// 訊號量減1，不夠減即阻塞 int sem_wait (sem_t* sem);
// 訊號量減1，不夠減即返回-1，errno為EAGAIN int sem_trywait (sem_t* sem);
// 訊號量減1，不夠減即阻塞， // 直到abs_timeout超時返回-1，errno為ETIMEDOUT int sem_timedwait (sem_t* sem,     const struct timespec* abs_timeout);
struct timespec {     time_t tv_sec;  // Seconds     long   tv_nsec; // Nanoseconds [0 - 999999999] };
// 訊號量加1 int sem_post (sem_t* sem);
// 銷燬訊號量 int sem_destroy (sem_t* sem);
範例：sem.c
注意：
1) 訊號量APIs沒有宣告在pthread.h中，    而是宣告在semaphore.h中，失敗也不返回錯誤碼，    而是返回-1，同時設定errno。
2) 互斥量任何時候都只允許一個執行緒訪問共享資源，    而訊號量則允許最多value個執行緒同時訪問共享資源，    當value為1時，與互斥量等價。
範例：pool.c
四、死鎖問題 ------------
執行緒1   執行緒2   |       | 獲取A   獲取B   |       | 獲取B   獲取A <- 死鎖      \ / 釋放B X 釋放A      / \ 釋放A   釋放B
範例：dead.c
五、條件變數 ------------
生產者消費者模型
生產者：產生資料的執行緒。 消費者：使用資料的執行緒。
通過緩衝區隔離生產者和消費者，與二者直連相比， 避免相互等待，提高執行效率。
生產快於消費，緩衝區滿，撐死。 消費快於生產，緩衝區空，餓死。
條件變數可以讓呼叫執行緒在滿足特定條件的情況下暫停。
int pthread_cond_init (pthread_cond_t* cond,     const pthread_condattr_t* attr);
亦可
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
// 使呼叫執行緒睡入條件變數cond，同時釋放互斥鎖mutex int pthread_cond_wait (pthread_cond_t* cond,     pthread_mutex_t* mutex);
int pthread_cond_timedwait (pthread_cond_t* cond,     pthread_mutex_t* mutex,     const struct timespec* abstime);
struct timespec {     time_t tv_sec;  // Seconds     long   tv_nsec; // Nanoseconds [0 - 999999999] };
// 從條件變數cond中喚出一個執行緒， // 令其重新獲得原先的互斥鎖 int pthread_cond_signal (pthread_cond_t* cond);
注意：被喚出的執行緒此刻將從pthread_cond_wait函式中返回， 但如果該執行緒無法獲得原先的鎖，則會繼續阻塞在加鎖上。
// 從條件變數cond中喚出所有執行緒 int pthread_cond_broadcast (pthread_cond_t* cond);
int pthread_cond_destroy (pthread_cond_t* cond);
範例：cond.c
注意：當一個執行緒被從條件變數中喚出以後， 導致其睡入條件變數的條件可能還需要再判斷一次， 因其隨時有可能別其它執行緒修改。
範例：bc.c (if->while)
六、哲學家就餐問題 ------------------
1965年，著名電腦科學家艾茲格·迪科斯徹，提出並解決 了一個他稱之為哲學家就餐的同步問題。從那時起，每個發 明同步原語的人，都希望通過解決哲學家就餐問題來展示其 同步原語的精妙之處。
這個問題可以簡單地描述如下：
五個哲學家圍坐在一張圓桌周圍，每個哲學家面前都有一盤 通心粉。由於通心粉很滑，所以需要兩把叉子才能夾住。相 鄰兩個盤子之間放有一把叉子。哲學家的生活中有兩種交替 活動時段：即吃飯和思考。當一個哲學家覺得餓了時，他就 試圖分兩次去取其左邊和右邊的叉子，每次拿一把，但不分 次序。如果成功地得到了兩把叉子，就開始吃飯，吃完後放 下叉子繼續思考。
圖示：dining.png
關鍵問題是：能為每一個哲學家寫一段描述其行為的程式， 且決不會死鎖嗎？
提示：
如果五位哲學家同時拿起左面的叉子，就沒有人能夠拿到他 們各自右面的叉子，於是發生了死鎖。
如果每位哲學家在拿到左面的叉子後，發現其右面的叉子不 可用，那麼就先放下左面的叉的，等待一段時間，再重複此 過程。可能在某一個瞬間，所有的哲學家都同時拿起左叉， 看到右叉不可用，又都放下左叉，等一會兒，又都同時拿起 左叉，如此重複下去。雖然程式在不停執行，但都無法取得 進展，於是發生了活鎖。
思路：
解決問題的關鍵在於，必須保證任意一位哲學家只有在其左 右兩個鄰居都沒有在進餐時，才允許其進入進餐狀態。這樣 做不僅不會發生死鎖，而且對於任意數量的哲學家都能獲得 最大限度的並行性。
範例：dining.c

來自為知筆記(Wiz)