1. 程序同步的基本概念
（1）程序同步的主要任務
使併發執行的諸程序之間能有效地共享資源和相互合作，從而使程式的執行具有可再現性。
（2）臨界資源
一次僅允許一個程序使用的資源。
*理解同步
互斥：在作業系統中，當一個程序進入臨界區使用臨界資源時，另一個程序必須等待，直到佔用臨界資源的程序退出臨界區，我們稱程序之間的這種相互制約關係為“互斥”。
*同步：*多個相互合作的程序，在一些關鍵點上可能需要互相等待或互相交換資訊，這種相互制約關係稱為程序同步關係。可理解為“有序”。
（3）臨界區
每個程序中訪問臨界資源的那段程式碼叫臨界區。
為了正確同步，對臨界區的程式碼要增加控制

進入區：對欲訪問的臨界資源進行檢。若此刻未被訪問，設正在訪問的標誌
臨界區：訪問臨界資源的程式碼。
退出區：將正在訪問的標誌恢復為未被訪問的標誌
剩餘區：其餘部分
（4）同步機制應遵循的規則

boolean TS(boolean *lock)
{
	Boolean old;
	old=*lock;
	*lock=TRUE;
	return old;
}

為一個臨界資源設定一布林變數lock，初值為false

do{
   …
   while TS(&lock)  ;
   critical section;
   lock=FALSE;
   remainder section;
}while(TRUE);

③利用Swap指令實現程序互斥
對換指令（intel 80x86中稱XCHG指令），用於交換兩個位元組的內容

void swap(boolean *a, boolean *b)
{boolean temp;
  temp=*a;
  *a=*b;
  *b=temp;	 
}
 

為臨界資源設定一個全域性布林變數lock=false。每個程序一個區域性布林變數key。

do{
    key=TRUE;
    do{
     swap(&lock,&key);
}while(key!=FALSE);
   // 臨界區操作； 
     lock=FALSE;
     //剩餘區； 
     }while(TRUE);

2. 訊號量機制
（1） 整型訊號量
訊號量定義為一個整型量；根據初始情況賦相應的值；僅能通過兩個原子操作來訪問。
P操作

wait(S):	 
While S<=0 do no-op; 
S:=S-1;

V操作

signal(S):	  
S:=S+1;

（2） 記錄型訊號量
整型訊號量符合“有限等待”原則
signal釋放資源後，當CPU被分配給等待程序後，等待程序仍可繼續執行，可以符合“有限等待”。
但整型訊號量不符合“讓權等待”原則
整型訊號量的wait操作，當s ≤0時，當前程序會佔著CPU不斷測試；
訊號量原語不能被打斷，這個佔有CPU的程序會一直不斷的佔據CPU迴圈下去，陷入忙等。
改進：條件不符時應能夠主動放棄CPU
新問題：放棄CPU的程序進入阻塞佇列：因等待某訊號量而放棄CPU的等待程序會有“若干”個，需將它們組織管理起來，並在合適的時候喚醒。

#訊號量結構資訊發生變化
不僅要有值的處理，還有佇列的處理。
此時形成記錄型資料結構，包括兩部分：
整型變數value(代表資源數目)
程序連結串列L(連結所有等待程序)：
程式碼描述：

type  Semaphore=record
	value：integer;
	L：list  of  PCB;
end; 

操作：S.Value，S.L
Value>0，表示當前可用資源的數量；
Value≤0，其絕對值表示等待使用該資源的程序數，即在該訊號量佇列上排隊的PCB的個數。

#P、V操作也有所變化
P操作

wait():
    S.value = S.value - 1;
    if  S.value < 0  then  block(S,L)

V操作

signal()：
    S.value = S.value + 1;
    if  S.value <= 0 then wakeup(S,L)

• 定義訊號量semaphore代表可用資源實體的數量，又叫訊號燈。
• 當≥0，代表可供併發程序使用的資源實體數
• 當<0，表示正在等待使用該資源的程序數。
建立一個訊號量必須經過說明，包括
• 訊號量所代表的意義
• 賦初值
• 建立相應的資料結構，以便指向等待使用臨界區的程序。
除初值外，訊號量的值僅能由標準原子操作P、V操作來改變。 PV操作是荷蘭語通過和釋放的意思。
（3）訊號量的基本應用
1）實現程序互斥
設定一互斥訊號量mutex，初值為1。
程序i：

P（mutex）；
critical section  //操作共享資源R
V（mutex）
remainder section

互斥訊號量注意點：
1. 互斥訊號量mutex初值為1；
2. 每個程序中將臨界區程式碼置於P(mutex)和V(mutex)原語之間
3. 必須成對使用P和V原語（在同一程序中），不能次序錯誤、重複或遺漏：
遺漏P原語則不能保證互斥訪問
遺漏V原語則不能在使用臨界資源之後將其釋放（給其他等待的程序）；

2） 實現程序間的前驅關係（有序）
前趨關係:併發執行的程序P1和P2中，分別有程式碼C1和C2，要求C1要在C2開始前完成；
為每對前趨關係設定一個同步訊號量S12，並賦初值為0。則只有V操作所在程序獲得cpu時能執行

P1 ： C1 ；signal(S)；
P2 ： wait(S)；C2 ；

控制同步順序的注意點
訊號量值為0的點是限制的關鍵所在，成對使用P和V原語（在有先後關係的兩個程序中），不能次序錯誤、重複或遺漏，否則同步順序出錯。
（4） AND型訊號量
出現原因：一些應用往往需要兩個或多個共享資源，而不是前述的一個資源。程序同時要求的共享資源越多，發生死鎖可能性越大。

解決思想：
一次性分配給程序所需資源，用完一起釋放。Wait操作時對它所有需要的資源都要判斷，有AND條件，故稱“AND同步”、“同時wait”。

Swait(S1, S2, …, Sn)
    if （S1 >=1 and … and Sn>=1 ）then
       for i:=1 to n do
        Si:= Si -1 ;
        endfor 
    else

將程序阻塞在第一個不能滿足資源訊號量的佇列中

  endif 
Ssignal(S1, S2, …, Sn)
    for i:=1 to n do
       Si:= Si +1 ;
   // 喚醒所以與si相關的阻塞程序
    endfor    

（5） 訊號量集
**引入原因：**每次只能獲得或釋放一個單位的資源，低效；某些時候資源分配有下限的限制；
修改：在大於可分配設定的下界值t前提下，每次可分配d個。

Swait(S1, t1, d1, …, Sn, tn, dn)
if S1>= t1 and … and Sn>= tn then
for i:=1 to n do
Si:= Si - di ;
endfor 
else
…
endif 
Ssignal(S1, d1, …, Sn, dn)
 for i:=1 to n do
  Si:= Si +di ;
    ….
  endfor 

訊號量集的一個特例
只有一個訊號量S的幾種特殊情況：
①Swait(S, d, d)，，允許每次申請d個資源，若現有資源數少於d，不予分配。
②Swait(S, 1, 1)，蛻化為一般的記錄型訊號量，一次申請一個，至多分配一個(S>1時可計數，或S=1時可控制互斥)。
③Swait(S, 1, 0)，當S>=1時，允許多個程序進入某特定區，當S變為0後，阻止任何程序進入特定區，相當於可控開關。並不對S資源的數量產生影響。