ts 变量后面加问号或者叹号_关于记录型信号量与TS指令的理解

在实现多线程互斥访问共享变量中，除了使用互斥锁之外，还可以使用信号量，当然信号量不仅仅能够实现互斥，还能够实现同步问题。

信号量的历史这里就不写了，信号量的分类也有几种，这里仅仅讨论一下记录型信号量。

记录型信号量是一个与队列有关的整型变量，大白话来讲，记录型信号量是一种数据结构，除了一个整型变量外，还有一个队列，记录型信号量定义如下：

type semaphore=recordvalue:integer; # 整形变量Q: list of process;  # 队列end

记录型信号量仅仅能够被P原语和V原语进行操作，P原语申请资源，V原语释放资源，那P原语和V原语是如何实现原子性操作的？

在深入探索P原语和V原语之前，我们知道了可以利用Test and Set指令（swap指令）实现互斥锁的acquire方法(点这里)：

# Test and Set(python)，原子性操作
def TS(lock):if lock == 0:lock = 1return Truereturn False
# 利用TS指令实现acquire方法
def acquire():while not TS(lock):pass // 忙等状态

可以看到，在锁处于open状态时，TS指令保证了只能有一个线程能够改变锁的状态，使锁处于locked状态，在由locked改变为open状态之前，其他来获取锁的线程只能while循环，不能够获得锁。

接下来我们看一看记录型信号量P原语与V原语的伪代码：

# 定义记录型信号量

type semaphore=recordvalue:integer; # 整形变量T: list of thread;   # 队列end# P原语
P(s):s.value = s.value - 1 # if s.value < 0then beginblock t;insert t into Tend;

# V原语
V(s):s.value = s.value + 1if s.value <= 0then beginwakeup the first T;remove the P from Tend

为了能够更直观的理解P操作和V操作的实现逻辑，可以将上述代码转换为下述流程图：

由上述流程图，我们可以看到

信号量的P原语，需要完成两件事：

当访问value时，将value减1
当资源被消耗完时，需要将请求资源的当前线程推入阻塞队列

信号量的V原语，需要完成两件事：

当访问value时，需要将value加1
当阻塞队列中有阻塞线程时，需要唤醒一个线程

接下来就是重点了，如何利用操作系统的TS指令实现信号量P原语、V原语，使这两个原语具有原子性？

我们可以看到，在使用信号量的时候，value作为共享资源，那就会出现如下几种争抢临界资源的情况：

多个线程的P原语之间
多个线程之间的P、V原语
多个线程之间的V原语

所以在P、V原语内要有互斥控制，保护临界资源不被同时访问到，避免数据不一致的情况，这里需要一个变量来保护临界资源。定义一个mutex，用来保护value，因为有一把互斥锁，获取时都可能会产生忙等现象，除了上述提到的队列T，应该还有一个队列M。

所以现在信号量的内部结构变为：

type semaphore=recordvalue:integerT:list of Thread wait for valueM:list of Thread wait for internal mutexmutex:boolean = 0 # 互斥锁

P原语:

def acquire():while not TS(lock): # 获取mutex，用来互斥访问s.valueblock tinsert t into Ms.value = s.value - 1if s.value < 0: # 表示资源已经用完了lock = 0 # 释放互斥锁，其他的线程或者acquire方法或者release方法可以来访问value了wakup the first t from M # 唤醒M队列中的线程remove the t from Mblock t         insert t into Telse:lock = 0wakeup the first t from Mremove the t from M

V原语：

def release():while not TS(lock):block t insert t into Ms.value = s.value + 1if s.value <= 0: # 表明阻塞队列中还有待唤醒的线程wakeup the first t from T remove t from Tlock = 0 # 释放锁wakeup the first t from Mremove the t from M

以上就是个人对记录型信号量的理解，以及尝试结合系统的TS指令实现了一下信号量的P原语与V原语，如果您看到了，有理解的不对的地方，欢迎指正，也欢迎与各位进行交流。

参考：

http://faculty.salina.k-state.edu/tim/ossg/IPC_sync/ts.html#implementing-semaphores-with-test-and-set
图书/计算机操作系统原理与设计
https://www.icourse163.org/course/UESTC-1205790811
https://zhuanlan.zhihu.com/p/136173505

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