【操作系统】进程管理——信号量机制（个人笔记）

学习日期：2024.7.9

内容摘要：信号量机制，用信号量实现进程的同步与互斥

信号量机制

信号量的概念

在上节内容中，我们学习了进程互斥的软件和硬件解决方案，但这些方案都有各自的问题，双标志法都因为检查和上锁两个步骤不能一气呵成，会导致两个进程一起进入临界区，而Peterson算法和几个基于硬件实现方式的方法虽然解决了这些问题，但这些方法都会导致忙等。

1965年，荷兰科学家Dijkstra（就是《数据结构》图论那位）提出了一种实现进程同步、互斥的方法——信号量机制。

信号量其实就是一个变量（可以是一个整数，也可以是更复杂的数据结构的变量），可以用一个信号量来表示系统中某种资源的数量，比如系统只有一台打印机，就可以设置一个初始值为1的信号量。

用户进程可以通过操作系统提供的一对原语来对信号量进行操作，从而很方便的实现进程互斥和同步。

一对原语：wait（S）原语和signal（S）原语，信号量S是函数调用时传入的一个参数，而wait和signal两个原语常简称为P，V操作（来自荷兰语proberen和verhogen），简写为P（S）和V（S）

整型信号量

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变量。

例：假如某系统中有一台打印机，初始化整型信号量S，S=1。P操作是占用资源，S=S-1，V操作是释放资源，S=S+1，每次调用之前先判断S的值，如果S>=1，就P一次，否则等待。

逻辑很简单，就是用S来计数，因为用了原语实现检查和上锁一气呵成，避免了并发、异步导致的问题。

缺点：还是要利用while结果循环等待，不满足“让权等待”原则，没有解决忙等问题。

记录型信号量（重点）

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，即用一种记录型数据结构表示信号量

假如S=2，每次进行一次P操作，S.value--，每次执行一次V操作，S.value++，如果P操作后小于0，进程阻塞，且当S为负时，S.value的绝对值就是正在等待资源的进程的数目。

P操作中一定是先S.value--，之后如果S<0再block；V操作中一定是先S.value++，之后如果S.value<=0再wakeup。注意理解原因！

S.value的初始值表示系统中某种资源的数目，S.value++后<=0,说明有进程在等待资源，因此调用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转换为就绪态）。

S.value==0,资源恰好分配完，S.value==-x，有x个进程正在等待资源。

因为在资源不足时，进程会使用block原语自我阻塞，主动放弃处理机，所以遵循了让权等待原则，不会出现忙等。

用信号量机制实现进程的同步与互斥

一个信号量对应一种资源，信号量的值=这种资源的剩余数量（信号量的值如果小于0，说明有进程在等待这个资源，绝对值即为等待的进程数）

信号量机制实现进程互斥

1.分析并发进程的关键活动，划分临界区

2.设置互斥信号量mutex，初始值为1，对不同的临界资源要设置不同的互斥信号量

3.在进入区P(mutex)，申请资源

4.在退出区V(mutex)，释放资源

注意：P，V操作必须要成对出现，申请资源和释放资源一定会成对出现。

信号量机制实现进程同步

知识回顾：进程同步：让各并发的进程按照某种我们期望的顺序推进。

1.分析什么地方需要同步关系，即分析需要“一前一后”的两个（或更多）操作

2.设置同步信号量S，初始值为0

3.在“前操作”之后执行V(S)

4.在“后操作”之前执行P(S)

比如说两个进程A，B，我们希望A先执行，B后执行。此时S代表一个信号，即A已经完成的信号。在A执行完之后，释放信号，在B执行之前，检查信号。简记为“前V后P，前后后前”

如果先执行到B，因为会先进行P(S)操作，此时S--后S=-1，表示此时没有可用资源，因此P操作中会执行block原语，进程会进入阻塞队列。当执行完A之后，S++，此时S>=0，就会在V操作中执行wakeup原语，唤醒B进程，这样就实现了按我们期望的顺序推进进程。

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内容总结自王道计算机考研《操作系统》 和 人民邮电出版社《操作系统导论》