OS信号量

信号量的概念
1．信号量的类型定义
信号量（semaphore）的数据结构为记录型数据结构一个值和一个指针，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，在操作系统中，信号量用以表示物理资源的实体，它是一个与队列有关的整型变量。。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（asleep）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（wakeup）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P V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。原语是操作系统中执行时不可中断的过程、即原子操作（atomicoperation）。Dijkstra 发明了两个信号量操作原语：P 操作和V 操作（荷兰语中“测试（Proberen）”和“增量（Verhogen）”的头字母），此外，还常用的符号有：wait 和signal；up 和down；sleep 和wakeup 等
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：
procedure p(var s:samephore);
{
s.value=s.value-1;
if (s.value<0) asleep(s.queue);
}
procedure v(var s:samephore);
{
s.value=s.value+1;
if (s.value<=0) wakeup(s.queue);
}
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。
每天多一点提高，给自己一些激励，开心生活，用编码来丰富我的生活，加油！ ↖(^ω)↗