操作系统理解进程同步 中信号量的概念

信号量的概念

1．信号量的类型定义

信号量（semaphore）的数据结构为一个值和一个指针，指针指向等待该信号量的下一个进程。信号量的值与相应资源的使用情况有关。当它的值大于0时，表示当前可用资源的数量；当它的值小于0时，其绝对值表示等待使用该资源的进程个数。注意，信号量的值仅能由PV操作来改变。

一般来说，信号量S>=0时，S表示可用资源的数量。执行一次P操作意味着请求分配一个单位资源，因此S的值减1；当S<0时，表示已经没有可用资源，请求者必须等待别的进程释放该类资源，它才能运行下去。而执行一个V操作意味着释放一个单位资源，因此S的值加1；若S<0，表示有某些进程正在等待该资源，因此要唤醒一个等待状态的进程，使之运行下去。

2．PV原语

PV操作是典型的同步机制之一。用一个信号量与一个消息（一个设备的使用情况）联系起来，当信号量的值为0时，表示期 望的消息尚未产生；当信号 量的值非0时，表示期望的消息已经存在。用PV操作实现进程同步时，调用P操作测试消息是否到达，调用V操作发送消息。

对一个信号量变量可以进行两种原语操作：p操作和v操作，定义如下：

P操作

procedure p(var s:samephore);

{

s.value=s.value-1;    //对信号量测试  检查设备使用情况  无论如何先减1

if (s.value<0) asleep(s.queue); //若S<0，表示有某些进程正在等待该资源，因此要唤醒一个等待状态的进程} 

V操作

procedure v(var s:samephore); 

{

s.value=s.value+1;　　//释放一个空闲设备

if (s.value<=0) wakeup(s.queue);　  //若S<0，表示有某些进程正在等待该资源，因此要唤醒一个等待状态的进程

　}

其中用到两个标准过程：

asleep(s.queue）；执行此操作的进程的PCB进入s.queue尾部，进程变成等待状态

wakeup(s.queue）；将s.queue头进程唤醒插入就绪队列

s.value初值为1时，可以用来实现进程的互斥。

p操作和v操作是不可中断的程序段，称为原语。如果将信号量看作共享变量，则pv操作为其临界区，多个进程不能同时执行，一般用硬件方法保证。一个信号量只能置一次初值，以后只能对之进行p操作或v操作。

由此也可以看到，信号量机制必须有公共内存，不能用于分布式操作系统，这是它最大的弱点。

V原语的主要操作是：

⑴sem加1；

⑵若相加结果大于零，则进程继续执行；

⑶若相加结果小于或等于零，则唤醒一阻塞在该信号量上的进程，然后再返回原进程继续执行或转进程调度。

利用信号量和PV操作实现进程互斥的一般模型是：

进程P1 进程P2 …… 进程Pn

……　 ……　 ……

P（S）；　 P（S）；　 P（S）；

临界区；　 临界区；　 临界区；

V（S）；　 V（S）；　 V（S）；

……　 ……　 …… ……

其中信号量S用于互斥，初值为1。

使用PV操作实现进程互斥时应该注意的是：

⑴每个程序中用户实现互斥的P、V操作必须成对出现，先做P操作，进临界区，后做V操作，出临界区。若有多个分支，要认真检查其成对性。

⑵P、V操作应分别紧靠临界区的头尾部，临界区的代码应尽可能短，不能有死循环。

⑶互斥信号量的初值一般为1。

利用信号量和PV操作实现进程同步：

PV操作是典型的同步机制之一。用一个信号量与一个消息联系起来，当信号量的值为0时，表示期望的消息尚未产生；当信号量的值非0时，表示期望的消息已经存在。用PV操作实现进程同步时，调用P操作测试消息是否到达，调用V操作发送消息。

使用PV操作实现进程同步时应该注意的是：

⑴分析进程间的制约关系，确定信号量种类。在保持进程间有正确的同步关系情况下，哪个进程先执行，哪些进程后执行，彼此间通过什么资源（信号量）进行协调，从而明确要设置哪些信号量。

⑵信号量的初值与相应资源的数量有关，也与P、V操作在程序代码中出现的位置有关。

⑶同一信号量的P、V操作要成对出现，但它们分别在不同的进程代码中。

典型理解偏差

三个问题：

一，以V原语的1、2步来做，Sem不就永远大于0，那进程不就一直循环执行成为死循环了？

二，Sem大于0那就表示有临界资源可供使用，为什么不唤醒进程？

三，Sem小于0应该是说没有临界资源可供使用，为什么还要唤醒进程？

析疑：

一，P操作对sem减1的。P、V原语必须成对使用！从而不会造成死循环。

二，Sem大于0的确表示有临界资源可供使用，而且这个时候没有进程被阻塞在这个资源上，也就是说没有进程因为得不到这类资源而阻塞，所以没有被阻塞的进程，自然不需要唤醒。

三，V原语操作的本质在于：一个进程使用完临界资源后，释放临界资源，使Sem加1，以通知其它的进程，这个时候如果Sem<0，表明有进程阻塞在该类资源上，因此要从阻塞队列里唤醒一个进程来“转手”该类资源。比如，有两个某类资源，四个进程A、B、C、D要用该类资源，最开始Sem=2，当A进入，Sem=1，当B进入Sem=0，表明该类资源刚好用完， 当C进入时Sem=-1，表明有一个进程被阻塞了，D进入，Sem=-2。当A用完该类资源时，进行V操作，Sem=-1，释放该类资源，而这时Sem<0，表明有进程阻塞在该类资源上，于是唤醒一个。

为了进一步加深理解，再引入二个问题：

四，如果是互斥信号量的话，应该设置信号量Sem=1，但是当有5个进程都访问的话，最后在该信号量的链表里会有4个在等待，也是说S=-4，那么第一个进程执行了V操作使S加1，释放了资源，下一个应该能够执行，但唤醒的这个进程在执行P操作时因S〈0，也还是执行不了，这是怎么回事呢？

五，Sem的绝对值表示等待的进程数，同时又表示临界资源，这到底是怎么回事？

析疑：

四，当一个进程阻塞了的时候，它已经执行过了P操作，并卡在临界区那个地方。当唤醒它时就立即进入它自己的临界区，并不需要执行P操作了，当执行完了临界区的程序后，就执行V操作。

五，当信号量Sem小于0时，其绝对值表示系统中因请求该类资源而被阻塞的进程数目.S大于0时表示可用的临界资源数。注意在不同情况下所表达的含义不一样。当等于0时，表示刚好用完。

 

 

同步与互斥的区别（相同点：同一时间只允许一个进程活动）

互斥：是指某一资源同时只允许一个访问者对其进行访问，具有唯一性和排它性。但互斥无法限制访问者对资源的访问顺序，即访问是无序的。

同步：是指在互斥的基础上（大多数情况），通过其它机制实现访问者对资源的有序访问。在大多数情况下，同步已经实现了互斥，特别是所有写入资源的情况必定是互斥的。少数情况是指可以允许多个访问者同时访问资源