并发控制：同步 (Synchronization)

“两个或两个以上随时间变化的量在变化过程中保持一定的相对关系”

• 同步电机、同步电路、红绿灯……

DeepSeek: 多个事件、进程或系统在时间上协调一致，确保按预定顺序或同时执行

我们希望控制事件发生的先后顺序

• $A \to B \to C$
  • 互斥锁只能确保 “分开” $A, B, C$，做不到顺序控制
• 我们希望形成受我们控制的 “happens-before” 关系

现实世界中的同步 (1)

现实世界中的同步 (1)

理解同步：什么是事件 (代码的执行)、什么是顺序

• 每个乐手都是一个 “线程” (状态机)
  • 事件：发出节拍、演奏节拍
  • 顺序：发出节拍 $i$ → 演奏节拍 $i$
  • (这个模型允许一个节拍演奏得过长)

void T_player() {
    while (!end) {
        wait_next_beat();
        play_next_beat();
    }
}

现实世界中的同步 (2)

今晚 23:59:59 大活门口，不见不散！

现实世界中的同步 (2)

理解同步：什么是事件 (代码的执行)、什么是顺序

• 事件 $A$: 第一个人到达、事件 $B$: 第二个人到达
• 不见不散：有一个共同完成的事件 $\text{XXX}$ (类似线程 join)
  • $A \to \text{XXX}$, $B \to \text{XXX}$
    • 因此一定有一瞬间 $A, B$ 完成、$\text{XXX}$ 还没有开始
    • (同步点：一个确定的状态；从而实现并发控制)
    • “控制”：将发散的并发程序状态 “收束”

void T_A() {
    arrive_at_activity_center();  // 大活
    while (!both_A_and_B_are_here()) ;  // 不见不散
    xxx();
}

程序世界中的同步

sum = 0;  // A
spawn(T_sum);  // T_1 start -> T_1 end
spawn(T_sum);  // T_2 start -> T_2 end
join();
printf("sum = %ld\n", sum);  // B

理解同步：什么是事件 (代码的执行)、什么是顺序

• $A \to T_1^{\text{start}} \to T_1^{\text{end}} \to \text{join} \to B$
• $A \to T_2^{\text{start}} \to T_2^{\text{end}} \to \text{join} \to B$
  • 同一线程内的事件天然存在 happens-before 关系
  • 没有 happens-before 的代码就是并发的
    • 在多处理器系统中可以并行执行

实现同步：实现 Happens-before

实现 $A \to B$

• $A$; can_proceed = true; ()
• while (!can_proceed) ; $B$
  • $B$: 如果同步的条件不满足，就等待

void T_player() {
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        while (current_beat < i) ;
        play_beat(i);
    }
}

• “大致可用”，但存在一些问题
  • 例如，current_beat 存在和 sum++ 类似的问题

我们不妨再问问魔法的操作系统？

能不能帮我们替代自旋的循环

while (!can_proceed) ;

“发明” 条件变量机制

• 一个理想的 API
  • wait_until(cond)，把代码编译到内核里
• 当然，过去的操作系统设计者不会搞那么复杂
  • 条件不满足时等待 (让出 CPU)
    • wait - 直接睡眠等待
  • 条件满足时继续
    • signal/broadcast - 唤醒所有等待的线程

C++: 我可以把条件放到 $\lambda$ 表达式里！

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;  // Since C++11

void T_player() {
    std::unique_lock lk(mtx);
    
    cv.wait(lk,
        // This reads better!
        []{ return can_proceed; }
    );

    // can_proceed holds here

    cv.notify_all();
    lk.unlock();
}