用互斥锁实现精确唤醒

一个奇妙的想法

• 创建锁时，立即 “获得” 它 (总是成功)
• 其他人想要获得时就会等待
  • 此时 release 就实现了 happens-before
• 一个线程上锁，在另一个线程解锁

让我们来试一试吧 (demo)

• 先把厕所门都锁上
• 线程到达以后等待
• 管理员把所有门都打开

用互斥锁实现计算图

Acquire-Release 实现计算图

• 为每一条边 $e = (u, v)$ 分配一个互斥锁
• 初始时，全部处于锁定状态
• 对于一个节点，它需要获得所有入边的锁才能继续
  • 可以直接计算的节点立即开始计算
• 计算完成后，释放所有出边对应的锁

挺好用 (试试 orchestra 的实现)

• 甚至比条件变量还好用嘞！
  • This is undefined behavior

本质：“Release as Synchronization”

Release-Acquire 实现了 happens-before

• Acquire = 等待信号
• Release = 发出信号
  • (这不是 UNIX 的 signal...)

“信号” 可以理解为现实生活中的 “资源许可”

• 共享，资源，凭票 (信号) 进入
  • 游泳馆：有空位获得手环进入更衣室，否则排队等待
  • 餐厅：有空桌可以直接进入，否则取号等待
  • 停车场：有空车位可以直接进场，否则排队
    • 这是一大类同步问题

适合处理：计数型的同类资源

为资源实现 acquire 和 release 操作

• Acquire: 在有车位时进入停车场
• Release: 出停车场；车位 + 1

计数型的同类资源：实现同步

void enter_parking() {
    mutex_lock(&lk);
    while (!(in_parking < capacity)) {
        cond_wait(&cv, &lk);
    }
    in_parking++;  // 这个时候我已经 “进入” 了
    mutex_unlock(&lk);
}

void leave_parking() {
    mutex_lock(&lk);
    in_parking--;
    cond_broadcast(&cv);  // 退出以后，可能有人能进入
    mutex_unlock(&lk);
}

• 这是生产者-消费者呀
  • 确保进入前存在一个 “空位” (count < capacity) 就行

计数型的同类资源：实现同步另一种方法

void consume_parking() {  // enter_parking
    mutex_lock(&lk);
    while (!(parking_spot > 0)) {
        cond_wait(&cv, &lk);
    }
    count--;
    mutex_unlock(&lk);
}

void magic_parking() {  // leave_parking
    mutex_lock(&lk);
    parking_spot++;
    cond_broadcast(&cv);
    mutex_unlock(&lk);
}

• “空位” 和 “占用” 是相对的
  • 停车 = “吃掉” 车位；离开 = “创造” 车位 (允许凭空创造)

于是你发明了 “信号量”！

void P(sem_t *sem) {
    // Prolaag - try + decrease/down/wait/acquire
    mutex_lock(&sem->lk);
    while (!(sem->count > 0)) {
        cond_wait(&sem->cv, &sem->lk);
    }
    sem->count--;  // 消耗一个信号 (车位/手环/...)
    mutex_unlock(&sem->lk);
}

void V(sem_t *sem) {
    // Verhoog - increase/up/post/signal/release
    mutex_lock(&sem->lk);
    sem->count++;  // 创建一个信号 (车位/手环/...)
    cond_broadcast(&sem->cv);
    mutex_unlock(&sem->lk);
}

我们可以把信号量当互斥锁用

sem_t sem = SEM_INIT(1);

void lock() {
    P(&sem);
}

void unlock() {
    V(&sem);
}

• 回到了我们开头的代码
  • 允许在不同的线程的 release/acquire
  • “信号量是扩展的互斥锁”