在多线程编程中，同步和监视器是确保数据一致性和防止并发错误的关键机制。操作系统提供了多种同步原语，如互斥锁、信号量、条件变量等，以支持高效的线程间协作。然而，不正确的同步可能导致经典问题，包括死锁、资源饥饿、优先级反转等。本文将详细探讨操作系统中的同步机制及其相关问题，并介绍监视器作为解决这些问题的一种方法。
1. 同步机制
互斥锁
互斥锁（Mutex）是最简单的同步原语，用于保护临界区资源免受并发访问。当一个线程进入临界区时，它会锁定一个互斥锁，其他线程必须等待锁释放才能进入。
pthread_mutex_t lock;
pthread_mutex_init(&lock, NULL);
pthread_mutex_lock(&lock);
// 临界区
pthread_mutex_unlock(&lock);
pthread_mutex_destroy(&lock);
信号量
信号量是一个计数器，用于控制对共享资源的访问数量。它允许多个线程同时访问资源，只要信号量的值大于零。
sem_t sem;
sem_init(&sem, 0, 3); // 允许3个线程同时访问
sem_wait(&sem);
// 临界区
sem_post(&sem);
sem_destroy(&sem);
条件变量
条件变量允许线程等待特定条件成立。它通常与互斥锁一起使用，以防止假唤醒问题。
pthread_cond_t cond;
pthread_cond_init(&cond, NULL);
pthread_mutex_lock(&mutex);
while (!condition)
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
// 临界区
pthread_mutex_unlock(&mutex);
pthread_cond_destroy(&cond);
2. 同步问题
死锁
死锁是指两个或多个线程永久阻塞，每个线程都在等待其他线程释放资源。死锁的发生通常涉及互斥锁的错误使用。
资源饥饿
资源饥饿是指一个或多个线程无法获得足够的资源执行，通常是由于高优先级线程垄断资源导致的。
优先级反转
优先级反转是指低优先级线程持有高优先级线程所需的资源，导致高优先级线程等待，从而降低系统的整体效率。
3. 监视器
监视器是一种同步机制，提供了一种避免上述问题的方法。它是一个特殊的对象，包含一组变量、数据以及相关操作过程的集合。线程可以进入监视器，读取数据，更改数据，然后退出监视器。监视器确保每次只有一个线程可以执行其内部的代码，从而避免了同步问题。
pthread_mutex_t monitor_lock;
pthread_cond_t monitor_cond;
void enter_monitor(pthread_mutex_t *lock, pthread_cond_t *cond) {
pthread_mutex_lock(lock);
while (condition_not_met)
pthread_cond_wait(cond, lock);
}
void exit_monitor(pthread_mutex_t *lock, pthread_cond_t *cond) {
// 改变条件
pthread_cond_signal(cond);
pthread_mutex_unlock(lock);
}
4. 结论
同步和监视器是操作系统中确保线程安全和提高并发效率的关键机制。了解和应用这些机制对于开发高效、可靠的多线程应用程序至关重要。通过正确使用同步原语和监视器，可以避免死锁、资源饥饿和优先级反转等问题，从而提高系统的整体性能和稳定性。
