【操作系统】 信号量机制

 

信号量机制

基本概念

信号量：信号量（Semaphores）的数据结构由一个值value和一个进程链表指针L组成，信号量的值代表了资源的数目，链表指针链接了所有等待访问该资源的进程。

PV操作：通过对信号量S进行两个标准的原子操作（不可中断的操作）wait(S)和signa(S)，可以实现进程的同步和互斥。这两个操作又常被称为P、V操作，其定义如下：

　　P(S)：①将信号量S的值减1，即S.value=S.value-1；
         　　  ②如果S.value≥0，则该进程继续执行；否则该进程置为等待状态，排入等待队列。
　　V(S)：①将信号量S的值加1，即S.value=S.value+1；
         　　  ②如果S.value>0，则该进程继续执行；否则释放S.L中第一个的等待进程。

说明：S.value代表可用的资源数目，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。

　　　一次P操作意味着请求分配一个单位资源，因此S.value减1，当S.value<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。

　　　而执行一次V操作意味着释放一个单位资源，因此S.value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。

利用信号量和PV操作实现进程互斥的一般模型是：

信号量S用于互斥，S.value初值为1。

整型信号量

 　　最初定义的信号量，信号量S就是一个于代表资源数目的整型量，该机制下无法实现“让权等待”的准则。

　　略（具体内容可参考《计算机操作系统》）。

记录型信号量　

　　基本概念中描述的就是记录型信号量，信号量S的两个数据项可描述为：

type semaphore=record
        value:integer;
        L:list of process;
        end

 　　相应地，wait(S)和signa(S)操作（即PV操作）可描述为：

procedure wait(S)
        var S:semaphore;
        begin
            S.value:=S.value-1;
            if S.value<0 then block(S,L)　　/*将进程排入等待队列S.L中*/
       End

procedure signal(S)
        var S:semaphore;
        begin
            S.value:=S.value+1;
            if S.value≤0 then wakeup(S,L);　　/*唤醒S.L上的第一个等待进程*/
        end

AND型信号量

上面的机制仅适用于各进程间只共享一个临界资源的情况，当进程需要几个共享资源时，容易出现死锁现象（原因详见书籍）。

AND同步机制：进程需要的所有资源一次性分配给进程，进程使用完后再一起释放。所以之前的wait操作变为了同时wait操作，即Swait（Simultaneous wait）。

所以PV操作变为了：Swait(S₁,S₂,……,S_n)，Ssignal(S₁,S₂,……,S_n)。

 信号量集

当要求在资源量大于某一下限值时，才予分配，且一次性需要N个某类临界资源时，可以采用信号量集机制(S为信号量，t为下限值，d为需求值)：

　　Swait(S₁,t₁,d₁,……,S_n,t_n,d_n,) 

　　Ssignal(S₁,d₁,……,S_n,d_n)

 特殊情况：

Swait(S,d,d)：仅有一个信号量S，每次申请d个资源，但现有资源少于d时，不予分配

Swait(S,1,1)：即为一般的记录型信号量（S>1时），或互斥信号量（S=1时）。

Swait(S,1,0)：S≥1时，允许多个进程进行某特定区；S变为0后，阻止任何进程进入特定区。相当于一个可控开关。

信号量的应用

 利用信号量实现进程互斥

设置互斥信号量S的初值为1，将各进程访问临界资源的临界区置于P和V操作之间即可。即：

 

利用信号量实现前驱关系

设有两个并发执行的进程P1和P2，希望P1中的语句S1执行完后，才能执行P2中的语句S2。

可以使P1和P2共享一个公用信号量S，并赋初值为0，采用下图的形式即可。

而对于下面较复杂的前驱关系图：

对应的并发程序为：

Var a,b,c,d,e,f,g：semaphore: =0,0,0,0,0,0,0；
    begin
        parbegin
        begin S1； signal(a)； signal(b)； end；
        begin wait(a)； S2；  signal(c)； signal(d)； end；
        begin wait(b)； S3 ； signal(e)； end；
        begin wait(c)； S4；  signal(f)；  end；
        begin wait(d)； S5 ； signal(g)； end；
        begin wait(e)； wait(f)； wait(g)； S6； end；
    parend
end

　　

 利用信号量实现进程同步

 转载自：关 于 PV 操 作

 【例1】生产者-消费者问题

在多道程序环境下，进程同步是一个十分重要又令人感兴趣的问题，而生产者-消费者问题是其中一个有代表性的进程同步问题。下面我们给出了各种情况下的生产者-消费者问题，深入地分析和透彻地理解这个例子，对于全面解决操作系统内的同步、互斥问题将有很大帮助。

（1）一个生产者，一个消费者，公用一个缓冲区。
定义两个同步信号量：
empty——表示空缓冲区的数量，初值为1。
full——表示满缓冲区的数量，初值为0。

生产者进程
while(TRUE){
     生产一个产品;
     P(empty);
     产品送往Buffer;
     V(full);
}

消费者进程
while(True){
   P(full);
   从Buffer取出一个产品;
   V(empty);
   消费该产品;
   }

（2）一个生产者，一个消费者，公用n个环形缓冲区。
定义两个同步信号量：
empty——表示空缓冲区的数量，初值为n。
full——表示满缓冲区的数量，初值为0。

    设缓冲区的编号为1～n-1，定义两个指针in和out，分别是生产者进程和消费者进程使用的指针，指向下一个可用的缓冲区。

生产者进程
while(TRUE){
     生产一个产品;
     P(empty);
     产品送往buffer（in）；
     in=(in+1)mod n；
     V(full);
}

消费者进程
while(TRUE){
   P(full);
   从buffer（out）中取出产品；
   out=(out+1)mod n；
   V(empty);
   消费该产品;
}

（3）一组生产者，一组消费者，公用n个环形缓冲区
    在这个问题中，不仅生产者与消费者之间要同步，而且各个生产者之间、各个消费者之间还必须互斥地访问缓冲区（1.避免多个生产商竞争一个空位的情况，2.避免多个消费者竞争同一段数据的情况）。

定义四个信号量：
empty——表示空缓冲区的数量，初值为n。
full——表示满缓冲区的数量，初值为0。
mutex1——生产者之间的互斥信号量，初值为1。
mutex2——消费者之间的互斥信号量，初值为1。

    设缓冲区的编号为1～n-1，定义两个指针in和out，分别是生产者进程和消费者进程使用的指针，指向下一个可用的缓冲区。

生产者进程
while(TRUE){
     生产一个产品;
     P(empty);
     P(mutex1)；
     产品送往buffer（in）；
     in=(in+1)mod n；
     V(mutex1);
     V(full);
}

消费者进程
while(TRUE){
   P(full)
   P(mutex2)；
   从buffer（out）中取出产品；
   out=(out+1)mod n；
   V（mutex2）；
   V(empty);
   消费该产品;
}

  需要注意的是无论在生产者进程中还是在消费者进程中，两个P操作的次序不能颠倒。应先执行同步信号量的P操作，然后再执行互斥信号量的P操作，否则可能造成进程死锁（先判断是否有资格，再进行生产和消费的操作）。

附：生产者和消费者问题是一个既有同步又有互斥的问题。（生产者和消费者对缓冲区互斥访问是互斥关系，同时生产者和消费者又是一个相互协作的关系，只有生产者生产之后，消费者才能消费，他们也是同步关系。）

【例2】桌上有一空盘，允许存放一只水果。爸爸可向盘中放苹果，也可向盘中放桔子，儿子专等吃盘中的桔子，女儿专等吃盘中的苹果。规定当盘空时一次只能放一只水果供吃者取用，请用P、V原语实现爸爸、儿子、女儿三个并发进程的同步。

 分析 在本题中，爸爸、儿子、女儿共用一个盘子，盘中一次只能放一个水果。当盘子为空时，爸爸可将一个水果放入果盘中。若放入果盘中的是桔子，则允许儿子吃，女儿必须等待；若放入果盘中的是苹果，则允许女儿吃，儿子必须等待。本题实际上是生产者-消费者问题的一种变形。这里，生产者放入缓冲区的产品有两类，消费者也有两类，每类消费者只消费其中固定的一类产品。

     解：在本题中，应设置三个信号量S、So、Sa，信号量S表示空盘子的数量，其初值为1；信号量So表示盘中桔子的数量，其初值为0；信号量Sa表示盘中苹果的数量，其初值为0。同步描述如下：

int S＝1;
int Sa＝0;
int So＝0;
      main()
      {
        cobegin
            father();      /*父亲进程*/
            son();        /*儿子进程*/
            daughter();    /*女儿进程*/
        coend
    ｝
    father()
    {
        while(1)
          {
            P(S);
            将水果放入盘中;
            if（放入的是桔子）V(So);
            else  V(Sa);
           }
     }
    son()
    {
        while(1)
          {
             P(So);
             从盘中取出桔子;
             V(S);
             吃桔子;
            ｝
    }
    daughter()
    {
         while(1)
            {
              P(Sa);
              从盘中取出苹果;
              V(S);
              吃苹果;
            ｝
｝

思考题：

四个进程A、B、C、D都要读一个共享文件F，系统允许多个进程同时读文件F。但限制是进程A和进程C不能同时读文件F，进程B和进程D也不能同时读文件F。为了使这四个进程并发执行时能按系统要求使用文件，现用PV操作进行管理，请回答下面的问题：
    （1）应定义的信号量及初值：                    。
    （2）在下列的程序中填上适当的P、V操作，以保证它们能正确并发工作：
     A()                B()                  C()                 D()
      {                 {                    {                  {
      [1];                [3];                  [5];                 [7];
      read F;             read F;                read F;              read F;
     [2];                [4];                  [6];                 [8];
      }                  }                    }                  } 

    思考题解答：
（1）定义二个信号量S1、S2，初值均为1，即：S1=1，S2=1。其中进程A和C使用信号量S1，进程B和D使用信号量S2。
（2）从[1]到[8]分别为：P(S1) V(S1) P(S2) V(S2) P(S1) V(S1) P(S2) V(S2)

自己的总结：明确物理意义，有几类资源就设置几个信号量，如刚刚的盘子，桔子和苹果的数量就可以各设置一个信号量，信号量的初值就是资源的初值，再根据对资源的操作，确定P还是V操作。

参考书籍：《计算机操作系统（第三版）》（汤小丹等著）

参考博客：关 于 PV 操 作