程序，執行緒，互斥鎖和訊號量

瞭解過作業系統的大概都聽說過程序和執行緒的概念，那到底什麼是程序，什麼是執行緒，它們之間又有什麼關係呢？

簡單來說，程序是資源分配的最小單位，執行緒是排程執行的最小單位。一個程序可以包含一個或多個執行緒，這些執行緒共享所屬程序的資源（記憶體，CPU等）。

互斥鎖：

可以把程序想象成一套房子，房子裡的空間類似程序的記憶體空間，房間裡的設施類似程序的CPU處理資源。而執行緒就像是居住在這個房子裡的人們，房子裡可能住著一個人或多個人，當房子裡住有多個人時，這些人共享房子的空間及設施（浴室，廚房等）。那麼問題來了，房子裡的資源是有限的，如果有多個人想使用同一個資源，比如只有一間浴室，有兩個人在同一時間都想洗澡怎麼辦？我們一般會讓更緊急的那個人先洗，一個人在一個小時之後要去趕飛機，而另一個人沒有什麼緊急的事情，這種情況就是要趕飛機的人優先順序更高。那如果兩個人都有緊急的事呢？這個時候一般是讓先準備好浴巾和換洗衣服的人去洗（換句話說就是等待最長時間的人）。

回到執行緒之間的資源競爭情況是怎樣的呢？看起來和人們競爭房子裡資源的情況頗為相似。我們知道，一個特定時間只能有一個執行緒佔用CPU（多核CPU可以同時執行多個執行緒，但每個核在特定的時間只能執行一個執行緒）， 執行緒之間怎麼去競爭有限的資源呢？一般情況下有兩個原則：

1。 優先順序更高的執行緒先執行

2。 優先順序相同的執行緒，讓等待更久的那個

執行緒先執行

讓我們再回到房子裡，一個人在浴室洗澡時如何確保不會被另外一個人打斷？很簡單，在浴室裡的人可以把門反鎖，只有當他洗完澡開啟門鎖，另外一個人才能進入浴室。總之浴室的狀態有且只有兩種，裡面沒人並且沒有上鎖；裡面有人並且門被上鎖。想進入浴室的人必須先確認門鎖的狀態，當沒有上鎖的時候才能進入。同樣的對於執行緒來說也是一樣，如果某個資源我們不希望被兩個或多個執行緒同時使用（比如兩個執行緒會執行相同的程式碼段），我們就可以使用互斥鎖（Mutex）。當某個執行緒需要訪問該資源時需要先獲取鎖並把Mutex上鎖，等訪問完畢再釋放Mutex。這樣當其他執行緒想訪問該共享資源時需要先獲取鎖的狀態，如果Mutex是上鎖的狀態，它就需要等Mutex釋放後才能獲取鎖然後訪問該資源。

訊號量：

讓我們考慮另外一種資源，這種資源同一時間可以被多個人使用。比如廚房，假設廚房內同時可以容納三個人。我們該怎麼管理廚房的使用呢？我們可以給廚房配備三把鑰匙，並且把三把鑰匙掛在廚房門外。當有人要進入廚房時就取下一把鑰匙進入廚房，然後把廚房門上鎖，出來的時候再把鑰匙重新掛到門外。這樣以來當有人想進入廚房時需要先看一下門外是否還有鑰匙，有的話就可以取下一把鑰匙並進入廚房，否則就只能在門外等待直到有人從廚房裡出來。如果有多人在門外等待的話，就要看這些人對使用廚房的緊急度以及等待時間的長短。

明眼的同學應該已經看出來了，這種機制在作業系統裡稱為訊號量（或訊號燈）。當某個資源可以同時被多個執行緒訪問時我們就可以使用訊號量，當一個執行緒想要訪問該資源時需要先看一下訊號量的值是否大於0，如果大於0就把訊號量的值減1（P操作），然後就可以訪問該資源，等訪問完後再把訊號量的值加1（V操作）。如果當前訊號量的值為0，想要訪問共享資源的執行緒只能等待其他執行緒訪問完畢後（執行V操作後）才能訪問。

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