信号量

Posted 2022-07-24 神级游走

信号量用来解决同步和互斥问题，只能被两个原语wait(S)和signal(S)访问。信号量分为整形信号量和记录型信号量：

1.整型信号量：

整形信号量表示资源的数目。wait和signal操作（P和V）可描述为：

wait(S)
  while(S<=0);
  S=S-1;

signal(S)
  S=S+1;

wait操作中，只要信号量S<=0，就会不断的测试，使进程处于“忙等”状态，未遵循“让权等待”准则。

2.记录型信号量：

记录型信号量不存在“忙等”现象，遵循“让权等待”准则。

记录型信号量得名于采用了记录型的数据结构。包括：

1.一个用于代表资源数目的整型变量value。

2.一个进程链表L，用于链接所有等待该资源的进程。

typedef struct
  int value;
  struct process *L;
semaphore;

相应的wait(S)和signal(S)的操作如下：

void wait(semaphore S)  //相当于申请资源
  S.value--;
  if(S.value<0)
    block(S.L);
  

wait操作，S.value--表示进程请求一个该类资源，当S.value<0时，表示该类资源已分配完毕，因此进程应block原语，进行自我阻塞，放弃处理机，并将进程插入该资源的等待队列S.L，可见该机制遵循了“让权等待”原则。

void signal(semaphore S)  //相当于释放资源
  S.value++;
  if(S.value<=0)
    wakeup(P);
  

signal操作，表示进程释放资源，使可分配的资源数加1，因此有S.value++。若加1后资源数仍小于等于0，则表示再等待队列中仍有进程被阻塞，因此还应调用wakeup原语，将等待队列中第一个等待进程唤醒。

3.信号量实现进程同步：

设S为实现进程P1，P2同步的公共信号量，初值为0。进程P2中的语句y要使用进程P1中语句x的结果，所以只有x执行完才能执行y。

semaphore S=0;      
P1()
  ...
  x;
  V(S);                  //告诉P2进程，语句x已经完成
  ...

P2()
  ...
  P(S);                  //检查语句x是否完成
  y;
  ...

若P2先执行到P(S)，S为0，执行P操作会把进行P2阻塞，并放入阻塞队列；当进程P1中的x执行完后，执行V操作，把P2从阻塞队列唤醒，放回到就绪队列，当P2得到处理机就得以继续执行。

4.信号量实现进程互斥：

设S为实现进程P1，P2互斥的信号量，由于每次只允许一个进程进入临界区，所以S的初始值为1（即可用资源数为1）.只需把临界区置于P(S)和V(S)之间，即可实现两个进程对临界资源的互斥访问。

semaphore S=1;
P1()
  ...
  P(S);                 //准备开始访问临界资源，加锁
  进程P1的临界区;
  V(S);                 //访问结束，解锁
  ...

P2()
  ...
  P(S);                 //准备开始访问临界资源，加锁
  进程P2的临界区;
  V(S);                 //访问结束，解锁
  ...

当没有进程在临界区时，任意一个进程要进入临界区，就要执行P操作，把S的值减为0，然后进入临界区；当有进程存在于临界区时，S的值为0，再有进程要进入临界区，执行P操作时将会被阻塞，直到再临界区的进程退出，这样便实现了临界区的互斥。

互斥是不同进程对同一信号量进行P，V操作实现的，一个进程成功对信号量执行了P操作后进入临界区，并在退出临界区后，由该进程本身对该信号量执行V操作，表示当前没有进程进入临界区，可以让其他进程进入。

总结一下PV操作在同步互斥中的应用：

在同步问题中，若某个行为要用到某种资源，则在这个行为面前P这种资源一下；若某个行为会释放某种资源，则在这个行为后面V这种资源一下。在互斥问题中，P，V操作要紧夹使用互斥资源的那个行为，中间不能有其他冗余代码。

参考：

王道操作系统复习指导