2.3.4 信号量机制

知识总览

在1965年，荷兰学着Dijkstra提出了一种卓有成效的实现进程互斥、同步的方法——信号量机制。

2.3.4.1 引入

用户进程可以通过使用操作系统提供的一对原语来对信号量进行操作，从而很方便的实现了进程互斥、进程同步。

一对原语：wait(S)原语和signal(S)原语，可以把原语理解为我们自己写的函数，函数名为wait和signal，括号里的信号量S其实就是函数调用时传入的一个参数。

wait、signal原语常常简称为P、V操作（来自荷兰语proberen和verhogen）。因此，做题的时候常把wait(S)和signal(S)两个操作分别写为P(S)、V(S)

信号量其实就是一个变量（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，不可被中断。原语是由关中断/开中断指令实现的。软件解决方案的主要问题是由"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，使这些操作能够一气呵成就能避免问题。

2.3.4.2 整型信号量

整型信号量就是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。其与普通整数变量的区别在于其无法做更多操作，只能初始化、P操作、V操作。

让我们用C来描述整型信号量的机制，假设我们有一台打印机，打印机作为一种临界资源。

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：
...
wait(S);
使用打印机资源;
signal(S);

由于使用了原语，操作只能一气呵成，所以检查和上锁一气呵成，避免了并发、异步导致的问题。而存在的问题是，其不满足让权等待，当一个进程占用处理机时，另一个进程会卡在wait操作的while循环步骤中，会发生忙等。

2.3.4.3 记录型信号量

整型信号量的缺陷是存在忙等问题，因此人们又提出了记录型信号量，即用记录型数据结构表示的信号量。

让我们看一下用C语言实现的逻辑：

/*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(semphore S)
{S.value++;if(S.value <= 0){wakeup(S.L)}
}

当剩余资源数不够时，使用block原语使进程从运行态进入阻塞态，并把其挂到信号量S的等待队列中。

当释放完资源后，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。

我们来用一个例子详细说明：

某计算机系统中有两台打印机，则可在初始化信号量S时将S.value的值设为2，队列S.L设置为空。

/*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;void init(semaphote &S)
{S.value = 2;S.L = null;
}

让我们来回顾一下整个过程，wait(S)和signal(S)也可以即为P(S)和V(S)，这对原语可用于实现系统资源的申请和释放。其中S.value的初值表示系统中某种资源的数目。

对信号量S的一次P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-1，当S。value<0时表示该类资源已分配完毕，因此进程应调用bolck原语进行自我阻塞（当前运行的过程从运行态→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的原则，不会出现忙等现象。

对信号量的一次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+1，若加1后仍是S.value<=0，表示依然有进程在等待该类资源，因此应该调用wakeup原语唤醒等待队列中的第一个进程，让其从阻塞态变为就绪态。

2.3.4.4 小结