信号量机制实现进程的互斥、同步、前驱

1965年，荷兰学者Dijkstra提出了一种卓有成效的实现进程互斥、同步的方法——信号量机制

信号量其实就是一个变量（可以是一个整数，也可以是一个更复杂的变量），可以用信号量来表示系统中某种资源的数量。比如：系统中只有一台打印机，就可以设置一个初值为1的信号量。

P、V操作：

P表示通过，V表示释放

1.整型信号量：

整型信号量与普通的信号量的区别：

对信号量的操作只有：初始化、P操作、V操作

缺点：不满足“让权等待”原则，会发生“忙等”

2.记录型信号量：

在信号量机制中，除了需要一个用于代表资源数目的整型变量value外，还应该增加一个进程链表指针L，用于链接上述的所有等待进程。记录型信号量是由于它采用了记录型的数据结构而得名的。

例题：

用P、V操作进行进程的通过和释放，再加入原语来实现进程的“上锁”和“解锁”，等资源使用完毕，再利用block原语进行阻塞（主动让出处理机），该机制遵循了“让权等待”的原则。

3.AND型信号量：

AND型信号量在一些应用场合，是一个进程需要先获得两个或者更多的共享资源后方能执行其任务。

AND同步机制的基本思想是：将进程在整个运行过程中需要的所有资源，一次性全部的分配给进程，待进程使用完后再一起释放。只要尚有一个资源未能分配给进程，其它所有有可能为之分配的资源也不分配给它。亦即，对若干个临界资源的分配，采取原子操作方式：要么把它所请求的资源全部分配给进程，要么一个也不分配。由死锁理论可知，这样就可以避免上述死锁情况发生。为此，在wait操作中，增加一个“AND”条件，故称为AND同步，或称为同时wait操作。

缺点：AND型信号量满足了 “多种资源，数量为1”的使用情景，但是实际上还会有多种资源数量不固定的情景，AND型信号量显然处理不了这种情况的进程调度。

死锁的概念：

死锁是指两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去；此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁，这些永远在互相等待的进程称为死锁进程。

4.信号量集：

信号量集由两部分组成：标识组和等待任务列表；

标识组由三部分组成：1.OSFlagType——识别是否为信号量集的标志

2.OSFlagWaitList——指向等待任务列表的指针

3.OSFlagFlags——信号量表

注意：信号量集的标识组只是保存了各输入信号量的值，而至于如何对这些任务进行处理则是等待任务的事情。

等待任务必须完成以下两个操作：1.在多个信号量输入中挑选等待任务感兴趣的输入。

2.把挑选出来的输入按照等待任务所期待的方式运算，以得到输出。

1. 信号量集的标志组

UCOS不是使用事件控制块的结构描述信号量集，而是使用一个标志组的机构来描述信号量集OS_FLG_GRP

2. 等待任务链表

与其他事件不同，信号量集采用一个双向链表来组织等待任务。标志组OS_FLG_GRP的成员OSFlagWaitList指向信号量集的这个等待任务链表。

等待任务链表中的节点OS_FLAG_NODE中的成员OSFlagNodeFlags相当于一个过滤器，它可以将请求任务需要的信号筛选出来，不需要的信号屏蔽掉。

对等待任务链表的操作：添加节点和删除节点。

“信号量集”的三种特殊情况：

 (1) Swait(S, d, d)。此时在信号量集中只有一个信号量S，但允许它每次申请d个资源，当现有资源数少于d时，不予分配。

 (2) Swait(S, 1, 1)。此时的信号量集已蜕化为一般的记录型信号量(S＞1时)或互斥信号量(S=1时)。

(3) Swait(S, 1, 0)。这是一种很特殊且很有用的信号量操作。当S≥1时，允许多个进程进入某特定区；当S变为0后，将阻止任何进程进入特定区。换言之，它相当于一个可控开关。

信号量的应用：

利用信号量实现进程互斥关系
利用信号量实现进程同步关系
利用信号量实现进程前趋关系

小结：

5.信号量实现进程的互斥：

解释一下互斥原理：

先设置一个互斥信号量mutex（可自己定义），再初始化信号量，使mutex=1，然后进行P操作（申请资源使用），这时候mutex-1，即mutex=0，对这个资源进行“加锁”，别人无法再使用这个资源，也就是相当于（C语言中for循环的条件判断，满足条件就进行，不满足就跳出），等程序使用资源完毕时，就会进行V操作（释放资源），对资源进行“解锁”，这时候mutex+1，重新使mutex=1，使资源解放出来，等待下一个程序的使用。

6.信号量机制实现进程同步：

进程同步：要让各进程按要求有序地进行推进。

解释一下进程同步的原理：

让各进程按要求有序地进行推进，先将初始化同步信号量的初始值设置为0。我们让代码4在代码2之后进行执行，这时候因为异步性，不知道是P1进程先进行还是P2进程先进行，我们先在代码2后面设置一个V（S）操作，在代码4后面设置一个P(S)操作。【可能有以下两种情况】

1.当先进行P1进程时，进程会按照代码1，代码2的顺序进行，当执行完代码2时，到达了V（S）操作，这时候将资源释放了出来，这时候初始值增加（S+1），接着进行P2进程，由于P2中进行了P(S)[申请资源]的操作，所以进程会按照代码4，代码5，代码6进行下去。

2.当先进行P2进程时，会遇到P(S)，但这时候的初始值为0，无法提供资源，P2进程进入自我阻塞状态。然后就进行P1进程的执行。这样就实现了让各进程按要求有序地进行推进。也就是实现了进程同步。

7.信号量机制实现前驱关系：

前驱关系本质上就是更复杂的同步问题。

在这一个进程实现之后执行V操作

在下一个进程实现之前执行P操作

总结：

这篇文章写了三个半小时，先进行看视频学习，两个视频反复看了两三遍，等自己理解之后，再写，进行整理和写上了自己对内容的理解，感觉虽然时间花费的比较多，但这些内容自己都理解了，还拓展了一部分，感觉自己棒棒，哈哈。