（二十）操作系统-信号量机制

一、知识预览

二、前篇文章知识点回顾

  进程互斥的四种软件实现方式：单标志法、双标志先检查、双标志后检查、Peterson算法。（ 具体知识点见（十八）操作系统-进程互斥的软件实现方法 ）
  进程互斥的三种硬件实现方法：中断屏蔽方法、TS/TSL指令、Swap/XCHG指令。（具体知识点见（十九）操作系统-进程互斥的硬件实现方法 ）
  在双标志先检查法中，进入区的“检查”、“上锁”操作无法一气呵成，从而导致了两个进程有可能同时进入临界区的问题。
  所有的解决方案都无法实现“让权等待”。

三、信号量机制

  用户进程可以通过使用操作系统的一对原语来对信号量进行操作，从而很方便的实现了进程互斥、进程同步。
  信号量就是一个变量（可以是一个整数，也可以是更复杂的记录型变量），可以用一个信号量来表示系统中某种资源的数量。比如：系统中只有一台打印机，就可以设置一个初值为1的信号量。
  原语是一种特殊的程序段，其执行只能一气呵成，不能被中断。原语是由关中断/开中断指令实现的。软甲解决方案的只要问题是由“进入区的各种操作无法一气呵成”，因此如果能把进入区、退出区的操作都用“原语”实现，使这些操作能“一气呵成”就能避免问题。
  一对原语：wait（S）原语和signal（S）原语，可以把原语理解成为我们自己写的函数，函数名分别为wait和signal，信号量S其实是函数调用时传入的一个参数。
  wait、signal原语常简称为P、V操作。

四、信号量机制—整形信号量

  用一个整数型的变量作为信号量，用来表示系统中某种资源的数量。与普通整数变量的区别在于，对信号量的操作只有三种：初始化、P操作、V操作。

举例：某计算机系统中有一台打印机

int s = 1; //初始化整型信号量s，表示当前系统中可用的打印机资源数void wait (int S) {   // wait原语，相当于"进入区"while (s <= 0);   //如果资源数不够，就一直循环等待S=S-1;   //如果资源数够，则占用一个资源
}void signal (int S) {   // signal原语，相当于"退出区”S=S+1;  //使用完资源后，在退出区释放资源
}//进程p0操作
进程PO:
...
wait(S);         //进入区，申请资源
使用打印机资源...  //临界区，访问资源
signal(S);       //退出区，释放资源
...//p1进程进入申请资源擦欧总
进程P1:
...
wait(S);         //进入区，申请资源
使用打印机资源...  //临界区，访问资源
signal(S);       //退出区，释放资源
...

  进程p0想要使用打印机资源，由于资源有限只有一个，并且要互斥访问这个打印机，所以在使用打印机资源之前，进程p0要先执行一个wait原语，对信号量S进行操作。wait原语中,通过循环语句检查当前剩余资源数量是否足够；若x小于等于0，则说明系统已经没有这种资源了，进程会一直循环。
  但由于p0进程执行wait原语的时候，s的值是1，所以会跳出循环，执行下一句。将打印机资源分配给p0进程，系统当中打印机资源减一。
  当p0在访问打印机资源时，如果发生了进程切换，有另外的进程也想使用打印机资源，使用之前同样先执行wait原语。由于系统当中已经没有打印机资源了，所以p1在执行while循环时，会一直循环等待。
  直到p0进程用完释放资源，执行signal原语，将信号量s由0变为1。p1才会跳出循环，执行下一步。

补：
  “检查”和“上锁”一气呵成，避免了并发、异步导致的问题。
  存在的问题：不满足“让权等待”原则，会发生“忙等”。

五、信号量机制—记录型信号量

  记录型信号量：用记录型整数结构表示的信号量。
  block原语：如果剩余资源数不够,使用block原语使进程从运行态进入阻塞态,并把挂到信号量S的等待队列（即阻塞队列)中。
  wakeup原语：释放资源后，若还有别的进程在等待这种资源，则使用wakeup原语唤醒等待队列中的一个进程，该进程从阻塞态变为就绪态。
  在考研题目中wait(S)、signal(S)也可以记为P(S)、V(S),这对原语可用于实现系统资源的“申请”和“释放”。S.value 的初值表示系统中某种资源的数目。

/*记录型信号量的定义*/
typedef struct {int value;   //剩余资源数struct process *L;   //等待队列
} semaphore;/*某进程需要使用资源时，通过wait原语申请*/
void wait ( semaphore s) {s.value--;if (S.value < 0 ) { 'block (S.L);}
}/*进程使用完资源后，通过signal原语释放*/
void signal (semaphore s) {s.value++;if (s.value <= 0) {wakeup(S.L);}
}

  对信号量s的一次Р操作意味着进程请求一个单位的该类资源，因此需要执行S.value–，表示资源数减1，当S.value <0时表示该类资源己分配完毕，因此进程应调用block原语进行自我阻塞（当前运行的进程从运行态—>阻塞态），主动放弃处理机，并插入该类资源的等待队列S.L中。可见，该机制遵循了“让权等待”原则，不会出现“忙等”现象。
  对信号量s的一次V操作意味着进程释放一个单位的该类资源，因此需要执行S.value++，表示资源数加1，若加1后仍是S.value <=o，表示依然有进程在等待该类资源，因此应调用wakeup原语唤醒等待队列中的第一个进程（被唤醒进程从阻塞态→就绪态)。

例题：

1. CPU为p0进程服务



2. 切换到p1进程



3. 切换到p2进程，没有资源等待。

4. 切换到p3进程，没有资源等待。

5. p2、p3均不能执行，CPU切换回为p1服务。p0执行完成释放资源。



6. p2使用打印机资源，执行完成后释放资源。

7. p1执行完成释放。

8. p3执行完释放，结束。

六、总结