1.信号量(semaphore)
2.管程（Moniter）
3.条件变量（Condition Variable）
4.哲学家就餐问题
5.读者-写者问题
5.1读者优先----用信号量解决读者-写者问题
5.2写者优先----用管程解决读者-写者问题
并发问题：多线程并发导致资源竞争
同步概念：协调多线程对共享数据的访问；任何时刻只能有一个线程执行临界区代码；
基本同步方法
最底层需要硬件支持，例如禁用中断，原子操作等；在此之上进行抽象，产生信号量，锁以及条件变量等概念；进而支持临界区和管程等高级抽象的实现；
信号量是操作系统提供的一种协调共享资源访问的方法，由Dijkstra在20世纪60年代提出。
信号是一种抽象数据类型，由一个整形 (sem)变量和两个原子操作组成：
P() sem减1，如sem<0, 进入等待, 否则继续；
V() sem加1，如sem≤0,唤醒一个等待进程；
信号量的特性
信号量是被保护的整数变量，初始化完成后，只能通过P()和V()操作修改，由操作系统保证，PV操作是原子操作；
P() 可能阻塞，V()不会阻塞；
通常假定信号量是“公平的”，线程不会被无限期阻塞在P()操作，假定信号量等待按先进先出排队；
信号量的实现
信号量主要由整形变量sem和等待队列组成，
对于P操作，sem--，如果当前sem<0，则该线程加入到等待队列，阻塞；
对于V操作，sem++，如果当前sem<=0，则说明当前由线程在等待队里阻塞等待，则唤醒其中一个线程执行；
信号量分类
二进制信号量：资源数目为0或1
资源信号量:资源数目为任何非负值
信号量的使用
互斥访问：临界区的互斥访问控制
条件同步：线程间的事件等待
用信号量实现临界区的互斥访问
每个临界区设置一个信号量，其初值为1，进入临界区之前对于信号量执行P操作，离开临界区时对于信号量执行V操作；
用信号量实现条件同步
每个条件同步设置一个信号量，其初值为0，由于信号量初始为零，因此线程A执行P操作会阻塞，只有等到线程B执行完V操作之后，线程A才会继续执行，即让线程A等待线程B的执行，实现同步。
用信号量解决生产者-消费者问题
任何时刻只能有一个线程操作缓冲区，缓冲区空时，消费者必须等待生产者，缓冲区满时，生产者必须等待消费者。
mutex为二进制信号量,用于缓冲区的互斥访问，
fullBuffers为缓冲区满信号量，emptyBuffers为缓冲区空信号量，用于条件同步
对于生产者，首先判断缓冲区是否有空闲，如果非空，则不能生成需要等待；如果缓冲区有空闲，则对于缓冲区加锁，生产一个元素，释放信号量mutex，此时对于fullBuffers执行V操作，说明当前缓冲区中有元素，如果有消费者等待，则可以执行消费操作。
对于消费者，首先判断缓冲区是否有元素，如果没有，则需要阻塞等待；如果缓冲区有元素，则对于缓冲区加锁，消费元素，释放锁；对于emptyBuffers执行V操作，如果此时有生产者正在等待生产，则可以继续生产，实现同步。
管程是一种用于多线程互斥访问共享资源的程序结构，采用面向对象方法，简化了线程间的同步控制，任一时刻最多只有一个线程执行管程代码，正在管程中的线程可临时放弃管程的互斥访问，等待事件出现时恢复。
管程的组成
一个锁：控制管程代码的互斥访问
0或者多个条件变量：管理共享数据的并发访问
条件变量是管程内的等待机制，进入管程的线程因资源被占用而进入等待状态，每个条件变量表示一种等待原因，对应一个等待队列。
Wait()操作 将自己阻塞在等待队列中，唤醒一个等待者或释放管程的互斥访问；
Signal()操作 将等待队列中的一个线程唤醒，如果等待队列为空，则等同空操作；
条件变量实现
条件变量由等待队列和numwaiting组成。
注意条件变量是对于锁来使用的，在执行wait操作之前，首先需要获取锁。
对于wait操作，等待数量加一，将线程加入到等待队列，然后释放锁，挑选另一个线程执行，再次加锁；
对于signal操作，如果当前有等待线程，则挑选一个等待线程，唤醒来执行，执行等待数量减一；
用管程解决生产者-消费者问题
一个锁用来互斥，两个条件变量，用来同步。
对于生产者，首先获取锁，判断缓冲区是否已满，如果已满，则执行等待，此时当前线程加入到等待队列，释放锁，操作系统执行其他线程；如果当前缓冲区非满，则生产一个元素，通知消费者，可以进行消费，最后释放锁。
对于消费者，首先获取锁，判断缓冲区是否已空，如果已空，则执行等待；如果非空，则消费一个元素，通知生产者可以进行生产。
管程条件变量的释放处理方式
对于管程来说，某一时刻，T1位于管程中，获取锁，执行wait操作，释放管程锁，进入等待过程；
T2进入管程，执行signal操作，此时T2在管程中，执行singal操作之后，T1会被唤醒，为避免管程中同时存在两个线程，因此需要控制T1恢复执行的时机，hansen方法是T2执行完毕，离开管程，T1才开始在管程中继续执行；hoare方法则T1立即恢复执行执行完毕之后，T2继续执行。hansen办法高效，hoare办法需要多执行一次上下文切换，比较低效。
Hansen管程：条件变量释放仅是一个提示，需要重新检查条件
Hoare管程：条件变量释放同时表示放弃管程访问，释放后条件变量的状态可用
方案一：
将叉子作为共享资源，利用5个信号量来表示。
哲学家编号为0--4，对于每个哲学家来说，首先思考，然后拿左右叉子，然后吃饭，再放下左右叉子。
该方案容易出现死锁问题，例如5位哲学家同时拿起左边叉子，下一步会同时等待拿右边叉子，此时会出现死锁问题。
方案二：
设置5个信号量来代表叉子资源，同时设置一个二值信号量来作为互斥锁，用来保证同时只有一位哲学家可以吃饭。
每位哲学家思考之后，同时来竞争互斥锁，只有一位哲学家可以吃饭，可以保证并发问题，但是效率不高。
方案三：
可以多人就餐
方案四：
指导原则;要么不拿，要么拿两把叉子
1.思考中
2.进入饥饿状态
3.如果左邻居或右邻居正在进餐，等待；否则，转4
4.拿起两把叉子
5.吃饭
6.放下左叉子 放下左叉子，可能要唤醒左邻居
7.放下右边叉子 放下右叉子，可能要唤醒右邻居
8.新循环开始，转1
哲学家的状态：思考，饥饿，就餐；
state来记录每个哲学家的状态
mutex互斥量，用来实现对于state读取赋值等操作的互斥性
s[N]信号量，用来唤醒邻居，实现同步操作
对于每个哲学家，思考，拿起两把叉子或者被阻塞，吃饭，放下两把叉子
由于需要操作state共享资源，因此首先加互斥锁，当前状态设为饥饿状态，试图拿起两把叉子，如果拿到两把叉子，则开始吃饭，如果拿不到便阻塞。
当前状态为饥饿状态，左右邻居非吃饭状态，则表示可以拿起两把叉子，当前状态设为吃饭状态，通知当前哲学家可以吃饭
放叉子，需要操作共享资源state，因此需要加锁，然后修改状态为思考状态，看左邻居和右邻居是否可以进餐。
读者：只读取数据，不修改；写者：读取和修改数据
同一时刻，允许有多个读者同时读；没有写者时读者才能读，没有读者时写者才能写；没有其他写者时写者才能写；
信号量WriteMutex：控制读写操作的互斥，初始化为1
读者计数Rcount：正在进行读操作的读者数目，初始化0
信号量CountMutex：控制对读者计数的互斥修改，初始化1
首先用WriteMutex来保证读者和写者的互斥性
如果当前只有一个读者，需要获取WriteMutex来保证读者和写者互斥性；如果有多个读者，则可以直接rount++，进行读操作；
读操作结束之后，rount--，如果当前已经没有读者，则需要唤醒可能存在的写者。
由于可能存在多个读者，即对于rount的操作必须保证互斥性，即通过CountMutex来保证互斥性
只要有读者正在读状态，后来的读者都能直接进入，如读者持续不断进入，则写者就处于饥饿。
只要有写者就绪，写者应尽快执行写操作。
读者实现
记录活跃等待读者 活跃等待写者数量，互斥锁，两个条件变量用来同步。
对于读者，如果当前没有写者，则开始执行读操作；如果读完之后，则应该唤醒可能存在的写者。
由于需要对WR,AR共享变量操作，因此需要首先获取锁；如果当前有写者AW+WW>0，则该读者应该等待，WR++，等待；
结束读操作，AR--，如果当前没有活跃读者并且有等待写者，则通知等待写者可以写
写者实现
如果当前有活跃写者或读者，则写者应该等待
写结束之后，如果还有等待写者，则唤醒等待写者；如果还有等待读者，则唤醒所有等待读者进行读操作。
参考：清华大学 操作系统 陈渝 http://os.cs.tsinghua.edu.cn/oscourse/OS2015/
