嵌入式基础知识-信号量，PV原语与前趋图

本篇来介绍信号量与PV原语的一些知识，并介绍其在前趋图上的应用分析。本篇的知识属于操作系统部分的通用知识，在嵌入式软件开发中，同样会用到这些知识。

1 信号量

信号量是最早出现的用来解决进程同步与互斥问题的机制（可以把信号量视为一个加锁标志位，实现对临界资源互斥的访问）。

信号量是一个整数：

当信号量S>=0时，代表可供并发使用的资源数量
当信号量S<0时，代表已经没有可用资源，S的绝对值表示当前等待该资源的进程数

利用信号量可以实现进程的互斥与同步

2 PV原语

2.1 P原语（wait）

P原语（申请资源，相当于wait，阻塞进程）操作的动作是：

sem减1
若sem减1后仍>=0，则执行P操作的进程继续执行
若sem减1后<0，则执行P操作的进程被阻塞后进入与该信号相对应的队列中，然后转进程调度

2.2 V原语（signl）

V原语（释放资源，相当于signal，激活进行）操作的动作是：

sem加1
若sem加1后>0，则执行V操作继续执行
若sem加1后仍<=0（表明有进程阻塞在该类资源上），则从该信号的等待队列中唤醒一等待进程，然后再返回原进程继续执行或转进程调度

注意：PV操作对于每一个进程来说，都只能进行一次，而且必须成对使用。在PV原语执行期间不允许有中断的发生。

2.3 P、V操作

PV原语的执行顺序：

执行P操作，信号量减一
然后进行对共享资源的访问
V操作，信号量加一

PV操作中关于信号量的计算：

某系统有n个进程，共享资源R，R是可用数为m，其中n>=m。若采用PV操作，则信号量S的取值范围是多少？

分析：

信号量的最大值，即可用资源的数据，即m
信号量的最小值，即最多能阻塞的进程数量，然后取负数，本例中，最大阻塞数为n-m
所以，信号量S的取值范围是 -(n-m)~m

3 信号量与PV操作的应用

3.1 实现进程互斥

为使多个进程互斥的访问某临界资源（例如一台打印机）：

须为该资源设置一个互斥信号量mutex，并设其初值为1
然后各进程访问资源的临界区CS置于wait(mutx)和signal(mutex)之间即可

semaphore mtuex = 1; //表示打印机（互斥/共享资源）

void process1() //进程1
{
    //...
    wait(mutx); //P操作，信号量-1
    //使用打印机
    signal(mutex); //V操作，信号量+1
    //...
}

void process2() //进程2
{
    //...
    wait(mutx);//P操作，信号量-1
    //使用打印机
    signal(mutex);//V操作，信号量+1
    //...
}

这里简单分析一下

只有一台打印机，所以信号量初值是1
wait(mutx)，即P操作，信号量减1，例如：
- 当第一个进程使用打印机时，信号量减为0，没有进程阻塞
- 当第二个进程也使用打印机时，信号量再减1变为-1，小于0了，说明有进程阻塞（就是第二个进程阻塞）
- 当第三个进程也使用打印机时，信号量再减1变为-2，也小于0了，说明有进程阻塞（就是第三个进程阻塞）
signal(mutex)，即V操作，信号量加1，例如：
- 当第一个进程使用打印机完毕时，信号量加1变为-1，仍小于0，说明激活一个进程后，仍有进程阻塞（例如第二个进程可以使用打印机了，第三个进程仍在等待）
- 当第二个进程使用打印机完毕时，信号量加1变为0，说明激活一个进程后，没有进程阻塞（第二个进程可以使用打印机了）
- 当第三个进程使用打印机完毕时，信号量加1变为1