信号量机制

1965年，由荷兰学者迪科斯彻Dijkstra提出（P、V分别代表荷兰语的Proberen （test）和Verhogen （increment））、是一种卓有成效的进程同步机制。

信号量-软件解决方案：

  • 保证两个或多个代码段不被并发调用
  • 在进入关键代码段前，进程必须获取一个信号量，否则不能运行
  • 执行完该关键代码段，必须释放信号量
  • 信号量有值，为正说明它空闲，为负说明其忙碌

信号量的类型可分为：

  • 整型信号量
  • 记录型信号量（最为常用）
  • AND型信号量
  • 信号量集

信号量机制介绍

1、整型信号量

用一个整数型的变量 "S"作为信号量，用来表示系统中某种资源的数量。

wait(S) :
while S<=0; /*do no-op*/ 
    S:=S-1;

signal(S):
    S:=S+1;
  • 提供两个不可分割的［原子操作］访问信号量
  • Wait（s）又称为P（S）
  • Signal（s）又称为V（S）
  • 缺点：进程忙等 

2、记录型信号量

  • 为了解决“忙等”问题，而提出的信号量。
  • 每个信号量S除一个整数值S.value外，还有一个进程等待队列S.list，存放阻塞在该信号量的各个进程PCB
  • 信号量只能通过初始化和两个标准的原语PV来访问--作为OS核心代码执行，不受进程调度的打断
  • 初始化指定一个非负整数值，表示空闲资源总数（又称为"资源信号量"）-- 若为非负值表示当前的空闲资源数，若为负值其绝对值表示当前等待临界区的进程数
typedef struct {
    int value;
    stuct process_control_block *list;
}semaphore;

相应地，wait(S)和signal(S)操作可描述为：

wait(semaphores *S) {  //请求一个单位的资源
    S->value --;  //资源减少一个
    if (S->value<0) block(S->list)  //进程自我阻塞
}

signal(semaphores *S){  //释放一个单位资源
    S->value++;  //资源增加一个
    if (S->value<=0) wakeup(S->list);  //唤醒等待队列中的一个进程
}

3、AND型信号量

  • AND型信号量同步的基本思想：将进程在整个运行过程中需要的所有资源，一次性全部分配给进程，待进程使用完后再一起释放。
  • 对若干个临界资源的分配，采用原子操作。
  • 在wait（S）操作中增加了一个 “AND” 条件，故称之为AND同步，或同时wait（S）操作，即Swait(Simultaneous wait)。

4、信号量集

  • 在记录型信号量中，wait或signal仅能对某类临界资源进行一个单位的申请和释放，当需要对N个单位进行操作时，需要N次wait/signal操作，效率低下
  • 扩充AND信号量：对进程所申请的所有资源以及每类资源不同的资源需求量，在一次P、V原语操作中完成申请或释放
    • 进程对信号量Si的测试值是该资源的分配下限值ti，即要求Si≥ti，否则不予分配。一旦允许分配，进程对该资源的需求值为di，即表示资源占用量，进行Si= Si-di操作
    • Swait(S1, t1, d1, ..., Sn, tn, dn)
    • Ssignal(S1, d1, ..., Sn, dn)

信号量的应用

1、利用信号量实现进程互斥

        key:设置互斥信号量

        为使多个进程能互斥地访问某临界资源，只须为该资源设置一个互斥型信号量mutex，并设其初值为1，然后将各进程访问该资源的临界区置于wait（mutex） 和signal（mutex）操作之间即可。
        这样，每个欲访问该临界资源的进程，在进入临界区之前，都要先对mutex执行wait操作。若该资源此刻未被访问，则本次wait操作必然成功，进程便可进入自己的临界区，这时若再有其他进程也欲进入自己的临界区，则由于对mutex执行wait操作定会失败，因而该进程阻塞，从而保证了该临界资源能被互斥地访问。当访问临界资源的进程退出临界区后，又应对mutex执行signal操作，以便释放该临界资源。

利用信号量实现两个进程互斥的描述如下。

  1. 设mutex为互斥型信号量，其初值为1，取值范围为（-1,0,1）。当mutex=1时，表示两个进程皆未进入需要互斥访问的临界区；当mutex=0时，表示有一个进程进入临界区运行，另一个必须等待，挂入阻塞队列；当mutex=-1时，表示有一个进程正在临界区运行，而另一个进程因等待而阻塞在信号量队列中，需要被当前已在临界区运行的进程在退出时唤醒。
  2. 代码描述： 
    semaphore mutex=1;  //初始化为1

PA(){
    while (1){
    wait (mutex);
    临界区;
    signal (mutex);
    剩余区;
    }
}

PB(){
    while (1){
    wait (mutex);
    临界区;
    signal (mutex);
    剩余区;
    }
}

在利用信号量机制实现进程互斥时应注意，wait（mutex） 和 signal（mutex）必须成对出现。缺少wait（mutex）将会导致系统混乱，无法保证对临界资源的互斥访问；缺少signal（mutex）将会导致临界资源永远不被释放，从而使因等待该资源而阻塞的进程不能被唤醒。

2、利用信号量实现前趋关系

main (){
Semaphore a,b,c,d,e,f,g;

a.value=0;b.value=0;c.value=0;
d.value=0;e.value=0;f.value=0;g.value=0;

cobegin
    { S1 ;signal(a);signal(b); }
    { wait(a);S2;signal(c);signal(d);}
    { wait(b);S3;signal(e); }
    { wait(c);S4;signal(f); }
    { wait(d);S5;signal(g); }
    { wait(e);wait(f);wait(g);S6; }
corend
}

3、利用信号量实现进程同步

        key:设置同步信号量

        假设进程P1和P2中有两段代码C1和C2，若要强制C1先于C2执行，则须在C2前添加wait（S），在C1后添加signal（S）。需要说明的是，信号量S的初值应该被设置为0。这样，只有P1在执行完C1后，才能执行signal（S）以把S的值设置为1。这时，P2执行wait（S）才能申请到信号量S，并执行C2。如果P1的C1没有提前执行，则信号量S的值为0，P2执行wait（S）时会因申请不到信号量S而阻塞。

  1. 设S为同步型信号量，其初值为0，取值范围为（-1,0,1）。当S=0时，表示C1还未执行，C2也未执行；当S=1时，表示C1已经执行，C2可以执行；当S=-1时，表示C2想执行，但由于C1尚未执行，C2不能执行，进程P2处于阻塞状态。
  2. 代码描述： 
    semaphore S=0;  //初始化为0

P1() {
    while (1) {
        C1
        signal(S);
        ...
    }
}

P2() {
    while (1) {
        wait(S);
        C2 ;
        ...
    }
}

同步型信号量的使用通常比互斥型信号量的使用要复杂。一般情况下，同步型信号量的wait（S）和signal（S）操作位于两个不同的进程内。

Examples

1、请思考互斥与同步的关系，它们有哪些地方相同？哪些地方不同？

相同之处：

  1. 目的：互斥和同步都是为了协调多个进程对共享资源的访问，以避免竞争条件和数据不一致性。
  2. 都可以通过信号量、互斥锁等机制来实现。

不同之处：

  1. 定义：互斥是指在任意时刻只允许一个进程访问共享资源，而同步是指协调进程之间的交互和通信，确保它们按照一定顺序执行。
  2. 目标：互斥的目标是防止多个进程同时访问共享资源，而同步的目标是确保进程按照特定顺序执行，或者在某个条件满足时进行通信和协调。
  3. 实现方式：互斥通常使用互斥锁或信号量来实现，而同步可以使用信号量、条件变量、屏障等机制来实现。

2、桌上有一空盘，允许存放一只水果。爸爸可向盘中放苹果，妈妈可向盘中放香蕉，儿子专等吃盘中的香蕉，女儿专等吃盘中的苹果，请按照要求回答：

        （1）本题中存在哪些互斥关系和同步关系？

        （2）试用P、V操作描述放水果和吃水果的过程。

答： （1）在本题中，盘中一次只能放一个水果；妈妈和爸爸对盘子的使用存在互斥关系，所以需要设互斥信号量mutex；爸爸和女儿，妈妈和儿子都是同步关系，需设置同步信号量apple, banana

        （2）设置信号量mutex, apple, banana，初值分别为1，0，0。分别表示可否向盘中放水果，可否取苹果，可否取香蕉。

代码段如下：   

Father(){   
    while (true){
        p(mutex);  //申请盘子使用权
        将苹果放入盘子；
        v(apple);  //苹果产品+1
    }
}

Mother(){  
    while (true){
        p(mutex);  //申请盘子使用权
        将香蕉放入盘子；
        v(banana);  //香蕉产品+1
    }
}

son(){  
    while (true){
        p(banana);  //申请香蕉资源，若非空
        从盘子取香蕉；
        v(mutex);   //盘子空了，释放盘子使用权
        吃香蕉；
    }
}

daugher(){  
    while (true){
        p(apple);  //申请苹果资源，若非空
        从盘子取苹果；
        v(mutex);  //盘子空了，释放盘子使用权
        吃苹果；
    }
}

3、公共汽车上有1名司机和1名售票员，司机和售票员活动如下，车辆运行规则是只有到站停车后售票员才能开门，只有关门后司机才能启动车辆。初始状态是车辆停在起始站。使用P、V原语描述车辆运行过程。

分析：本例中存在同步关系，即只有售票员关门后司机才能启动车辆；只有司机到站停车后售票员才能开门；

故设置：

        司机的同步信号量: S1表示是否允许司机启动车辆，初值为0

        售票员同步信号量: S2表示是否允许售票员开门，初值为1

则车辆运行过程描述如下：

driver:
    while (true){
        P(S1);//申请启动车辆，若标志为1，则可以启动
        启动车辆；
        正常运行；
        到站停车；
        V(S2);
    }

conductor:
    while (true){
        P(S2); //申请开门，若标志为1，则可以开门
        开门；
        售票；
        关门；
        V(S1);
    }

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