引言

在上一篇笔记中，我们介绍到了进程同步和进程互斥，以及用硬件层面上的三种方法分别实现进程互斥。其实，软件层面上也有四种方法，但是这些方法大部分都存在着一些问题：

• “上锁”与“检查”是非原子操作（软件方法）
• 都无法做到“让权等待”（软件+硬件方法）

接下来，我们介绍一种全新的信号量机制。

信号量

1. 原语
   信号量机制基于我们之前所说的原语操作，让用户通过使用操作系统提供的一对原语来对信号量进行操作，从而方便地实现进程互斥和进程同步。信号量（Semaphore）其实就是一个变量，它可以记录系统中某个资源的数量，而原语指的是 wait(S) 原语和 signal(S) 原语（或者说是 P 操作和 V 操作），可以看作是两个函数。

2. 原理
   一个进程要获取临界资源时，先获取对应的信号量资源；
   当无信号量资源时，则该进程阻塞等待，进入等待队列。
   当有信号量资源时，则对该信号量资源进行P（-1）操作，然后获取该临界资源。
   当该进程使用完临界资源时，将释放信号量资源（对信号量资源进行V（+1）操作），然后唤醒等待队列中的进程。

3. 分类1

• 二元信号量
  实现互斥，采用二元信号量，即：该信号量的计数器，只能为0或1，又称为互斥量。
  这里的“元”指的是信号量的状态数目。

• 多元信号量
  信号量说明： semaphore s=N;
  初始化指定一个非负整数值N，表示空闲资源总数（N>1时又称为“资源信号量”）

• 强弱信号量
  强信号量： 最公平的策略是先进先出（FIFO）——被阻塞时间最久的进程最先从队列释放。 采用这个策略定义的信号量称为强信号量（strong semaphore）。
  弱信号量： 没有规定进程从队列中移出顺序的信号量称为弱信号量（weak semaphore）。

4. 分类2

• 整型信号量
  信号量如果单纯是一个整数型的变量，那么就称为整型信号量，它的值记录了系统中某种资源的数量。在使用整型信号量的情况下，P 、V 操作是类似这样的：

int S = 1;
wait(int S)               
{                       
    while(S <= 0)			
    S = S-1              
}
signal(int S)
{
    S = S+1
}

很容易发现，由于PV操作原子性，整形信号量解决了引言的第一个问题，但整形信号量有一个很大的问题就是不能解决“让权等待”的问题，当资源不够时，进程会不停的执行While循环，无法及时让权。

• 记录型信号量
  记录型信号量类似于数据库的一条记录，会有一些字段，最简单的就是下图中的semaphore结构体，有一个int类型的value，以及一个等待队列链表。

/*记录型信号量的定义*/
typedef struct {
//剩余资源数
int value;
Struct process *L;//等待队列
} semaphore;

同时，记录型信号量的 P、V 操作也有所不同，如下所示：

wait (semaphore S){
    S.value--
    if(S.value < 0){
        block(S.L) // 阻塞原语
    }
}
signal(semaphore S){
    S.value++
    if(S.value <= 0){
        wakeup(S.L) // 唤醒原语
    }
}

• value 是可用的资源数，当它大于 0 的时候自然是存在可用资源（供大于求），当它小于 0 的时候，则说明不仅无可用资源而且有其他进程等着用（供不应求）。
• 在进入区 value 一定会减一，表示申请到了资源，或者表示存在着某个进程有想要申请资源的意愿，无论是否能得到。
• Block是一种原语，是无法获得资源的进程自己阻塞自己，将自己置于等待队列中，实现“让权等待”。
• wakeup也是一种原语，是进程使用完资源后唤醒之前在该资源阻塞的其他进程
  
  接下来，我们来看一个王道课上的例子理解一下记录型信号量的机制

假设现在有4个进程p0…p3需要使用打印机资源，但是只有两个打印机。
结构体中value的初始值是空闲资源数，这里就是2，等待队列初始为null

假设四个进程的执行顺序是p0→p1→p2→p3，那么p0先占据一个打印机资源，value–，同理p1占领另一个打印机，value–，此时的剩余资源数已经为0。

此时p3再申请打印机资源的时候，value–，value值小于0，执行阻塞原语，自己把自己阻塞，然后放到等待队列里，同理p4阻塞，在等待队列里面等待，value变为-2。

经过一段时间的使用，p0进程使用完打印机后释放资源signal(s)，此时在等待队列的第一个进程p2获得打印机资源，由阻塞恢复就绪态，然后被OS选中进入运行状态，此时value为-1，等待队列中只有p3。

假设p2进程执行较快，及时释放了打印机1，此时value为0，OS把打印机1分配给p3，p3变为就绪态，p2继续执行剩余代码然后退出。

接着，CPU来到p1，p1使用完打印机2释放，value变为1，执行完剩余代码退出。

然后，p3获得CPU，由就绪态变为运行态，执行相关代码，使用打印机。

p3释放打印机，执行结束后退出，记录型信号量恢复最初的状态

这里还有一个ppt上的例子，与之类似不再阐述，小伙伴们可以自行理解

总结

信号量机制是OS考察的重难点，无论是大题小题都会有所涉及，题目中的信号量一般默认情况指的都是记录型信号量，大家在学习的过程中要多动笔，多思考才能灵活运用。