操作系统（二十一）信号量机制

2.3.4 信号量机制

在前两节中我们分别学习了用软件方式以及硬件方式实现互斥访问，但是他们或多或少的存在一些问题，1965年荷兰的一名学者迪杰斯特拉（是的，就是那个男人）提出了信号量机制，有效的解决了进程互斥与进程同步问题。

2.3.4 信号量机制

2.3.4.1 信号量机制概述

2.3.4.2 整型信号量

2.3.4.3 记录型信号量

2.3.4.1 信号量机制概述

操作系统可以用一对操作原语来对信号量进行操作从而实现进程同步和进程互斥。

信号量：一种变量，可以用它来表示系统中某资源的数量

一对原语：wait(S) 原语和 signal(S) 原语，原语具有一气呵成不可中断的特性，它是由关中断来实现的，我们可以将原语看作不可中断的函数，函数所使用的参数是S（信号量），我们还经常用P，V来分别表示wait原语以及signal原语。

2.3.4.2 整型信号量

之前提到，信号量可以表示某资源的数量，整形信号量就表示这个资源的数量可以用整型数来表示。整形信号量与普通的整型变量是不一样的，整型信号量只能进行初始化、P、V操作。

在整形信号量中，wait与signal的逻辑如下：假如有一台计算机可供使用

int S = 1;                //表示系统中只有一个资源可以使用void wait(int S){        //wait原语就相当于“进入区”，完成检查以及上锁的工作while(S <= 0);       //检查资源是否够用，如果资源不够就等待释放资源S--;                 //资源够用，占用一个资源并上锁
}void signal(int S){      //相当于退出区S++;                 //将资源释放，解锁
}P1:
wait(S);                //进入区，申请资源
使用计算机;              //临界区，访问资源
signal(S);              //退出区，释放资源P2:
wait(S);                //进入区，申请资源
使用计算机;              //临界区，访问资源
signal(S);              //退出区，释放资源
.........

在上述代码中，如果资源不够，那么会一直等待资源的分配，不满足让权等待，会造成忙等。

2.3.4.3 记录型信号量

整型信号量的缺陷是存在“忙等”问题，因此人们又提出了“记录型信号量”，即用记录型数据结构表示的信号量。

typedef struct{int value;                //表示资源struct progess *L;        //等待队列
}semaphore;                   //定义了一个结构体，并用semaphore来代替结构体命名变量void wait(semaphore S){S.value--;                //申请资源if(S.value<0){            //如果剩余资源数不够，使用block原语使进程从运行态进入阻塞态block(S.L);}
}void signal(semaphore S){S.value++;                //释放资源if(S.value<=0){           //释放资源后，还有别的进程在等待这种资源，则使用wakeup 原语唤醒它wakeup(S.L);}
}

S.value 的初值表示系统中某种资源的数目。对信号量 S 的一次 P 操作意味着进程请求一个单位的该类资源，因此需要执行 S.value--，表示资源数减1，当S.value < 0 时表示该类资源已分配完毕，因此进程应调用 block 原语进行自我阻塞（当前运行的进程从运行态->阻塞态），主动放弃处理机，并插入该类资源的等待队列 S.L 中。可见，该机制遵循了“让权等待”原则，不会出现“忙等”现象。

对S 的一次 V 操作意味着进程释放一个单位的该类资源，因此需要执行 S.value++，表示资源数加1，若加1后仍是 S.value <= 0，表示依然有进程在等待该类资源，因此应调用 wakeup 原语唤醒等待队列中的第一个进程（被唤醒进程从阻塞态->就绪态）。