操作系统是大学里非常重要的课程，对于科班出身的同学来说，把这门课程学号是非常必要的，下面我将我的课堂笔记整理好跟大家分享，虽然这些例子都是很简单的，代码也都能在网上找到，但是我想经过自己整理的代码，才能把知识固定在脑子里，希望我的笔记对大家操作系统的学习有利，特别是非科班出身而且对计算机感兴趣的同学；

正文：

信号量的本质是一种数据操作锁，它本身不具有数据交换的功能，而是通过控制其他的通信资源(文件，外部设备)来实现进程间通信，它本身只是一种外部资源的标识。信号量在此过程中负责数据操作的互斥、同步等功能。

当请求一个使用信号量来表示的资源时，进程需要先读取信号量的值来判断资源是否可用。大于0，资源可以请求，等于0，无资源可用，进程会进入睡眠状态直至资源可用。

信号量结构体：

struct{ unsigned short semval;

pid_t          sempid;

unsigned short semncent;

.....

};

信号量的两个操作：

1、阻塞操作——Wait

2、唤醒操作——Signal

信号量分类

1、技数信号量：

使用范围：资源数量有多个(共享资源有多个备份，他们的使用是互斥的)；

取值范围：大于1的整数值，

2、二元信号量：

取值范围：0、1

使用范围：实现互斥；

Semaphore S;

Wait(S):

Critical Section;

Signal(S);

二元信号量其实就是一个锁；

Wait——获取锁的钥匙

Signal——钥匙扔掉

二元信号量比较简单，比较复杂的计数信号量可以用二元信号量来实现：

Data Structures:

Int c;//计数信号量的取值

Binary-Semaphore  S1,S2;//对C的操作要求互斥，S1作为C的互斥锁；

//S2做为技术信号量的wait的等待;

Initialization:

S1 = 1

S2 = 0

C= intial value of semaphore S;

Wait(C) operation

Wait(S1)l;

C--;

If(C<0){

Signal(S1);//唤醒S1

Wait(S2);

}

Signal(S1);

Signal(C) operation

Wait(S1);

C++;

If(C<=0)

Signal(S2);

Else

Signal(S1);

同步问题的例子

解决同步问题思路步骤：

参与者与规则；

资源：具体问题所涉及的资源，而这些资源一般都是共享的，资源的数量也是有限的；

继续处理前必须获得资源——技术信号量或者变量计数；

共享变量

必须保护访问——二元信号量；

1、有限缓存问题(生产者消费者问题)：

问题描述：两个共享固定大小缓冲区的线程——即所谓的“生产者”和“消费者”——在实际运行时会发生的问题。生产者的主要作用是生成一定量的数据放到缓冲区中，然后重复此过程。与此同时，消费者也在缓冲区消耗这些数据。该问题的关键就是要保证生产者不会在缓冲区满时加入数据，消费者也不会在缓冲区中空时消耗数据。

游戏参与者：生产者、消费者

活动限制：共享一个固定大小的缓冲区；

对共享数据的访问要求：互斥(生产消费操作必须互斥)，缓存区满后停止生产，有产品后才消费；

怎样保证互斥：设置一个信号量，用信号量保证互斥；

缓存区满后停止生产：获得空的缓存去单元，用一个计数信号量表示空的单元数，empty；

有生产后才消费：有一个“满”的资源才能进行消费；

一个生产者，一个消费者，公用一个缓冲区

定义两个同步信号量：

empty——表示缓冲区是否为空，初值为1。

full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。

生产者进程

while(TRUE){

生产一个产品;

P(empty);

产品送往Buffer;

V(full);

}

消费者进程

while(TRUE){

P(full);

从Buffer取出一个产品;

V(empty);

消费该产品;

一个生产者，一个消费者，公用n个环形缓冲区

——N个缓冲区形成一个环形缓冲区要利用指针。缓冲区的指向则通过模运算得到。

empty——表示缓冲区是否为空，初值为n。

full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。

设缓冲区的编号为1～n-1，定义两个指针in和out，分别是生产者进程和消费者进程使用的指针，指向下一个可用的缓冲区。

生产者进程

while(TRUE){

生产一个产品;

P(empty);

产品送往buffer(in)；

in=(in+1)mod n；

V(full);

}

消费者进程

while(TRUE){

P(full);

从buffer(out)中取出产品；

out=(out+1)mod n；

V(empty);

消费该产品;

}

一组生产者，一组消费者，公用n个环形缓冲区

——在这种情况中，生产者与消费者存在同步关系，而且各个生产者之间、各个消费者之间存在互斥关系,他们必须互斥地访问缓冲区。

定义四个信号量：

empty——表示缓冲区是否为空，初值为n。

full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。

mutex1——生产者之间的互斥信号量，初值为1。

mutex2——消费者之间的互斥信号量，初值为1。

设缓冲区的编号为1～n-1，定义两个指针in和out，分别是生产者进程和消费者进程使用的指针，指向下一个可用的缓冲区。

生产者进程

while(TRUE){

生产一个产品;

P(empty);

P(mutex1)；

产品送往buffer(in)；

in=(in+1)mod n；

V(mutex1);

V(full);

}

消费者进程

while(TRUE){

P(full);

P(mutex2)；

从buffer(out)中取出产品；

out=(out+1)mod n；

V(mutex2)；

V(empty);

2、读者\写者问题：

问题描述：读者—写者问题(Readers-Writers problem)也是一个经典的并发程序设计问题，是经常出现的一种同步问题。计算机系统中的数据(文件、记录)常被多个进程共享，但其中某些进程可能只要求读数据(称为读者Reader)；另一些进程则要求修改数据(称为写者Writer)。就共享数据而言，Reader和Writer是两组并发进程共享一组数据区，要求：

游戏参与者：读者、写者

活动限制：读写操作是在同一个临界区；

对共享数据的访问要求：(互斥)读和写不能同时进行，允许多个读者同时执行读操作，不允许读者、写者同时操作，不允许多个写者同时操作；

许多个读者同时执行读操作，第一个读者解锁；最后一个读者加锁，使用一个计数器readcount来计算读者的数量；

Shared data

Semaphore mutex 保证读者对readcount访问的互斥

Wrt： 保证读写互斥

Readcount：记录读者数量

3、哲学家问题

问题描述：在餐桌旁的哲学家有两种操作，思考，就餐，餐桌上每个哲学家的右边有一只筷子，两只筷子才能就餐；

游戏参与者：哲学家

共享资源：筷子(二元信号量)；

对共享数据的访问要求：每个筷子的使用是互斥的，每个哲学家只能使用身边的筷子；

哲学家就餐防止死锁：

当一个哲学家身边的两个筷子都可以用才可以允许它拿筷子；

给所有哲学家编号，奇数号的哲学家首先拿左边的筷子；偶数号的哲学家先拿右边的筷子；

如果哲学家总数已知，可以让控制最多让总数-1的哲学家就餐；

4、理发师问题：

问题描述：

1、休息的理发师是坐地自己专用的理发椅上，不会占用顾客的沙发；

2、处理休息状态的理发师可为在沙发上等待时间最长的顾客理发；

3、理发时间长短由理发师决定；

4、在站席区等待时间最长的顾客可坐到空闲的理发上；

5、任何时刻最多只能有一个理发师在收银。

游戏参与者：理发师，顾客

伪代码：

semaphore stand_capacity=5;semaphore sofa=4;semaphore barber_chair=3;semaphore customer_ready=0;semaphore mutex=3;semaphore mutex1=1;semaphore finished[3]={0,0,0};semaphore leave_barberchair=0;semaphore payment=0;semaphore receipt=0;void customer(){

顾客：int barber_number;wait(stand_capacity); //等待进入理发店enter_room(); //进入理发店wait(sofa); //等待沙发leave_stand_section(); //离开站席区signal(stand_capacity);sit_on_sofa(); //坐在沙发上wait(barber_chair); //等待理发椅get_up_sofa(); //离开沙发signal(sofa);wait(mutex1);sit_on_barberchair(); //坐到理发椅上signal(customer_ready);barber_number=dequeue(); //得到理发师编号signal(mutex1);wait(finished[barber_number]); //等待理发结束pay(); //付款signal(payment); //付款wait(receipt); //等待收据get_up_barberchair(); //离开理发椅signal(leave_barberchair); //发出离开理发椅信号exit_shop(); //了离开理发店}

对于理发师：void barber(int i){while(true){wait(mutex1);enqueue(i); //将该理发师的编号加入队列signal(mutex1);wait(customer_ready); //等待顾客准备好wait(mutex);cut_hair(); //理发signal(mutex);signal(finished[i]); //理发结束wait(leave_barberchair); //等待顾客离开理发椅信号signal(barber_chair); //释放barber_chair 信号}}void cash() //收银{while(true){wait(payment); //等待顾客付款wait(mutex); //原子操作get_pay(); //接受付款give_receipt(); //给顾客收据signal(mutex);signal(receipt); //收银完毕，释放信号}}

6、过桥问题

问题：一座小桥(最多能承重两个人)横跨南北两岸，任意时刻同一方向只允许一个人过桥；南侧的桥段和北侧的桥段较窄只能一个人通过，桥中央一处宽敞，允许两个人通过或者休息。

游戏参与者：南北过桥者；

资源：桥的承重(对多两人，相当于资源的两个份额)

信号量使用：

Load：(技术信号量)

North：(二元信号量)

South：(二元信号量)

伪代码：

int countSN=0;

int countNS=0;

semaphore mutexSN=1;

semaphore mutexNS=1;

semaphore bridge=1;

6、和尚打水问题(生产消费变种)：

问题描述：某寺庙，有小和尚和老和尚若干，有一个水缸，由小和尚提水入缸供老和尚饮用。水缸可以容纳10桶水，水取自同一口井中，由于水井口窄，每次只能容纳一个水桶取水。水桶总数为3个。每次入水、取水仅为一桶，且不可同时进行

信号量设置：

1、对于水缸——以一个水桶水为单位，empty=30、full = 0两个计数信号量

2、小和尚对缸操作：mutex-jar = 1二元信号量；

3、水桶个数(资源数)：bucket = 5计数信号量

4、取水操作(每次入水、取水仅为一桶)：互斥mutex-well = 1二元信号量；

伪代码：

7、一家人吃水果问题：

问题描述：桌子上有一只盘子，每次只能放一个水果，爸爸专向里面放苹果，妈妈放橘子，儿子专吃橘子，女儿专吃苹果，仅当盘子空闲时，爸爸妈妈才可以向里面放水果，仅当盘子里有自己需要的水果时，儿子女儿才可以从里面取出一只水果。

生产者消费者变种问题：

1、空间变为一个，不同的消费者需求不同；

2、信号量变化：Full——用两个信号量表示So=0、SA=0(表示橘子和苹果两种)，empty=1不变；

伪代码：

int e=1,a=o=0;main(){father();//son();//daughter();/*三个为并发进程*/}father(){while(1){ 洗水果wait(e)把水果放入盘子if(水果是苹果)signal(a)else signal(o)}}son(){while(1){wait(o)从盘子里取桔子signal(e)吃桔子}}daughter(){while(1){wait(a)从盘子里取苹果signal(e)吃苹果}}