12.进程同步与信号量

Posted 2022-07-01 PacosonSWJTU

【README】

1.本文内容总结自 B站 《操作系统-哈工大李治军老师》，内容非常棒，墙裂推荐；

2.进程同步： 让进程间的合作变得合理有序；

3.通过 信号量 来实现进程同步 ；

4.操作系统借助信号量实现进程合作，进程走走停停；（进程什么时候停，在哪个地方停特别重要）

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【1】进程合作：多进程共同完成一个任务

 【例1】司机与售票员例子

司机	售票员
While(true)   启动车辆；// 等待信号1   正常运行；   到站停车；// 发送信号2	While(true)    关门；// 发送信号1   售票；   开门； // 等待信号2

【例2】生产者消费者

生产者	消费者
阻塞直到 counter 不等于 BUFFER_SIZE； 生产数据后，counter加1，类似向消费者发送信号；	阻塞直到counter不等于0； 消费数据后，counter减1，类似向生产者发送信号；

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 【2】进程同步

进程同步定义： 需要让进程走走停停，保证多进程合作的合理有序；

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 【3】信号量语义

1）只发信号还不能解决全部问题；

• 信号只能表示 有 或者 没有；引入信号量表达更丰富的信息；

2）问题描述：

• 当 counter 等于 BUFFER_SIZE 时，生产者1睡眠；
• 当 counter 等于 BUFFER_SIZE 时，生产者2睡眠；
• 接着，消费者消费一条数据，counter减1；
• 此时 counter减1后等于 BUFFER_SIZE    减1，所以消费者会调用 wakeup唤醒生产者1；
• 接着， 消费者循环消费另外1条数据，counter减1；

出现的问题：

• 此时counter减1后等于 BUFFER_SIZE 减2 （因为这是第2次消费），因为不满足 counter==BUFFER_SIZE-1 条件，所以消费者不会唤醒生产者2；
• 显然，counter语义 不足以唤醒所有生产者，所以引入了信号量；
• （counter记录的是空闲缓冲区数量，而无法记录睡眠的生产者数量，所以根据counter语义无法唤醒所有睡眠的生产者）

3）信号量
信号量不仅需要记录睡眠和唤醒，还需要记录当前阻塞的生产者个数等其他信息；

 4）信号量开始工作

步骤	生产者与消费者执行详情	信号量 sem值
1	缓冲区满，生产者P1执行， P1睡眠，信号量减1；则信号量为-1；（信号量-1表示1个生产者睡眠）	-1
2	生产者P2执行， P2睡眠，信号量减1；则信号量为-2（表示2个生产者睡眠）	-2
3	消费者执行1次循环， wakeup唤醒P1后，信号量加1得到-1；（表示1个生产者睡眠）	-1
4	消费者再执行1次循环， wakeup唤醒P2，信号量加1得到0；（没有生产者睡眠）	0
5	消费者在执行一次循环；信号量加1；（表示有1个可用缓冲空间）	1
6	生产者P3执行，信号量减1；	0

信号量sem值含义：

• -2： 有2个生产者阻塞，或者欠生产者队列2个单位缓冲空间；
• -1： 有1个生产者阻塞，或者欠生产者队列1个单位缓冲空间；
• 0： 没有生产者阻塞，正常运行；
• 1： 表示还有1个单位的可用缓冲空间；
• 2：表示还有2个单位的可用缓冲空间；

【小结】

• 接下来，生产者与消费者就可以根据  信号量sem  来决定进程同步，或决定多个进程合作的合理有序执行；

5）基于信号量的进程合作
多个进程合作完成一件事，多个进程在执行过程中，执行的推进顺序要合理有序；
具体地，在执行一定程度后，进程根据信号量判断是否停下来等待；

• 5.1）生产者：若信号量等于0或负值，则生产者进程等待，且信号量减1；
• 5.2）消费者：若信号量等于负值，则消费者唤醒一个生产者进程，且信号量加1；
• 若信号量等于0，则消费者正常执行，且信号量加1；

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【4】信号量实现

1）信号量定义：一种特殊整型变量，量用来记录，信号用来判断是否睡眠sleep和唤醒wakeup；
2）信号量代码

// 信号量代码
struct semaphore() 

	// 记录资源个数
	int value ; 
	// 进程阻塞队列（记录在该信号量上等待的进程） 
	PCB *queue;  


// 生产者：消费资源（这里消费资源指的是生产者消费一个空闲缓冲区，或一个数组项）
P (semaphore s) 

	s.value--; // 消费资源 
	if (s.value < 0) 
		sleep(s.queue);  // 当前生产者进程睡眠 
	


// 消费者：产生资源 （这里产生资源指的是消费者释放一个空闲缓存区，或一个数组项）
V (semaphore s)

	s.value++; // 释放资源
	if (s.value <=0 ) 
		wakeup(s.queue);  // 消费者唤醒睡眠的生产者进程 
	

 【补充】 荷兰语中

• P表示proberen，即test测试的意思，即生产者；
• V 表示 verhogen，即increment，增加资源的意思，即消费者；

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【5】用信号量解决生产者消费者问题

 1）信号量解决生产者消费者问题的源代码

• 下面源代码有3个信号量
  • full：缓存区中数据或内容个数，或已占用的缓冲区个数；
  • empty：空闲缓冲区个数；
  • mutex：互斥信号量，同时只允许1个进程进入代码；

// 1 用文件定义共享缓冲区 
int fd = open("buffer.txt");
write(fd, 0, sizeof(in)); // 写入数据到in位置 
read(fd, 0, sizeof(out)); // 从out位置读取数据 

// 2 信号量的定义和初始化 
semaphore full = 0; // 表示缓冲区中已生产的数据（内容）个数，或已用缓冲区个数； 
semaphore empty = BUFFER_SIZE; // 表示空闲缓冲区个数 
semaphore mutex = 1; // 互斥信号量，同时只能有1个进程进去；

// 3 生产者 
Producer(item) 
	P(empty); // 生产者先测试empty信号量是否为0（为0表示没有空闲缓冲区）
	P(mutex); 
	// 读取in，把item写入到in的位置上 （生产操作）
	V(mutex); 
	V(full); // 增加数据（内容）个数 


// 4 消费者 
Consumer() 
	P(full);  // 消费者先测试缓冲区是否存在内容，则没有则阻塞
	P(mutex); // 判断是否可以访问文件，mutex是互斥信号量，同时只有1个进程可以访问文件（mutex减1， 获取mutex信号量或锁）
	// 读取out，从文件中的out位置读出到item，打印item （消费操作）
	V(mutex); // mutex加1，释放mutex 信号量
	V(empty);// 消费者在消费完后，增加空闲缓冲区个数