操作系统学习笔记——信号量

通过锁可以实现互斥的访问，但是光有互斥不够，还需要同步的机制，甚至在临界区需要多个线程进入临界区执行，所以需要更高层的同步互斥语义。

信号量抽象数据类型

一个整型(sem)，两个原子操作

P():sem减 1 ，如果sem <0 ，等待，否则继续； V():sem 加1，如果sem<=0，唤醒一个等待的P

信号量的使用：

信号量特点：

信号量是整数；信号量是被保护的变量：初始化完成后，唯一改变一个信号量的值的办法是通过P（）和V()，操作必须是原子；

P()能够阻塞，V()不会阻塞；使用FIFO

两种类型信号量：二进制信号量，可以是0或1；一般/计数信号量，可取任何非负值。两者相互表现，给定一个可以实现另一个。

信号量可以用在2个方面：互斥，条件同步（调度约束——一个线程等待另一个线程的事情发生）

用二进制信号量实现的互斥：模拟LOCK操作。完全可以代替Lock

mutex = new Semaphore(1);
mutex->P();
...
Critical Section;
...
mutex->V();

用二进制信号量实现的调度约束：

condition = new Semaphore(0);

线程A：

...
condition->P();
...

线程B：




...
condition->V();
...

P()等待，V()发出信号。B唤醒A

条件同步的问题，二进制信号量就无法完成了，所以需要计数信号量。

一个线程等待另一个线程处理事情：比如生产东西或消费东西；互斥（锁机制）是不够的。

例：有界缓冲区的生产者——消费者问题

一个或多个生产者产生数据将数据放在一个缓冲区里；单个消费者每次从缓冲区取出数据；在任何一个时间只有一个生产者或消费者可以访问该缓冲区。

Producer -> Buffer -> Consumer

正确性要求：

在任何一个时间只能有一个线程操作缓冲区（互斥）；当缓冲区为空，消费者必须等待生产者（调度/同步约束）；当缓冲区满，生产者必须等待消费者（调度/同步约束）

每个约束用一个单独的信号量：

二进制信号量互斥；一般信号量fullBuffers；一般信号量emptyBuffers.

赋初值：

Class BoundedBuffer{
    mutex = new Semaphore(1);
    fullBuffers = new Semaphore(0);
    emptyBuffers = new Semaphore(n);
}

操作：

//生产
BoundedBuffer::Deposit(c){
    emptyBuffers->P();
    mutex->P();//确保互斥性
    Add c to the buffer;
    mutex->V();
    fullBuffers->V();
}

//消费
BoundedBuffer::Remove(c){
    fullBuffers->P();
    mutex->P();
    Remove c from buffer;
    mutex->V();
    emptyBuffers->V();
}

P,V操作的顺序有影响吗？

V操作交换顺序没问题。P操作交换顺序有问题，因为P会阻塞，假如BUFFER是满的，先执行Mutex后，emptyBuffers这一步就阻塞，消费者那儿也执行不下去，会导致死锁。

所以要设置好P,V顺序，还要设置好初始值。

信号量的实现：

class Semaphore{
    int sem;
    WaitQueue q;
}

Semaphore::P(){
    sem--;
    if(sem<0){
        Add this thread t to q;
        block(p);
    }
}

Semaphore::V(){
    sem++;
    if(sem<=0){
        Remove a thread t from q;
        wakeup(t);
    }
}

信号量的双用途：互斥和条件同步；但等待条件是独立的互斥。

不能够处理死锁问题。

操作系统学习笔记——信号量

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