操作系统中的信号量及P、V操作

系统中应该有解决进程同步的一种专门机制。实际上，同步是并发进程之间在执行时序上的一种相互制约的关系。进程互斥的实质也是同步，可把进程互斥看作是一种特殊的进程同步。

同步机制应该满足如下一些基本要求。首先，它的描述能力应足够强，即能解决各种进程间同步互斥问题；其次，该同步机制应该容易实现并且效率高；第三，使用方便。

同步机制有各种类型，有硬件同步机制；有软件同步机制，如信号量及P、V操作，管程，条件临界域等；有用于集中式系统中的路径表达式；还有适用于分布式系统中的远程过程调用等同步机制。

这里我们主要介绍用于进程同步的信号量以及P、V操作。

一、信号量

用常规的程序来实现进程之间同步、互斥关系需要复杂的算法，而且会造成“忙等待”，浪费处理器资源，为此引人信号量的概念。信号量是一种特殊的变量，它的表面形式是一个整型变量附加一个队列；而且，它只能被特殊的操作（即P操作和V操作）使用。P操作和V操作都是原语。

荷兰的著名计算机科学家Dijkstm把进程互斥的关键含义抽象成为信号量（Semaphore) 概念，并引入了在信号量上的P、V操作作为同步原语（P和V分别是荷兰文的“等待”和 “发信号”两词的首字母）。这里，信号量是个被保护的量，只有P、V操作和信号量初始化操作才能访问和改变它的值。

设信号量为S，S可以取不同的整数值。可以利用信号量S的取值表示共享资源的使用情况，或用它来指示协作进程之间交换的信息。在具体使用时，把信号量S放在进程运行的环境中，赋予其不同的初值，并在其上实施P操作和V操作，从而实现进程间的同步与互斥。对信号量S实施的P操作和V操作，可分别用P (S)和V (S)表示。

二、P、V操作

P操作和V操作定义如下:

P (S)

{

S=S-1；

若S<0,将该进程状态置为等待状态，然后将该进程的PCB插入相应的S信号量等待队列末尾，直到有其他进程在S上执行V操作为止；

}

V (S)

{

S = S + 1 ；

若S<=0,释放在S信号量队列中等待的一个进程，将其状态改变为就绪态，并将其插入就绪队列；然后，执行本操作的进程继续执行；

}

三、信号量与P、V操作的物理含义

P操作和V操作是对信号量S进行的，有关信号量S和P、V操作的物理含义可以进一步说明如下。

信号量S表示某类可用的临界资源。对于不同的临界资源，则用不同的信号量表示。

当S>0时，S值的大小表示某类可用资源的数量，即表示有该类资源可以分配。

当S<0时，表示没有可分配的资源数量，其S的绝对值表示排在S信号量的等待队列中进程的数目。

每执行一次P操作，意味着请求的进程分配到一个资源；每执行一次V操作，意味着进程释放了一个资源。

四、用P、V操作实现进程之间的互斥

这里叙述用P、V操作解决进程之间的互斥问题。

假设有进程A、B竞争进入临界区，用P、V操作实现进程之间的互斥的程序可以写成:

进程A

P(S)

临界区操作

V(S);

进程B

P(S);

临界区操作；

V(S);

其中，S的初值为1

五、用P、V操作实现进程间的同步

考虑一种同步关系，其中有两个信号量S1和S2,赋予它们的初值均为0, S1表示在一个缓冲区中是否装满信息，S2表示该缓冲区中信息是否取走。程序可写成:

进程A

while(true){

把信息送入缓存区；

V(S1);

P(S2);

};

进程B

while(true){

P(S1);

把信息从缓存区取走；

V(S2);

};

又如，有三个进程：进程get从输人设备上不断读数据，并放人缓冲区buffer1;进程 copy不断地将缓冲区buffer1的内容复制到缓冲区buffer2; 进程put则不断将buffer2的内容在打印机上输出。为了使三个进程并行工作以大大加快执行速度，又保证打印结果和输人内容一致，三个进程之间必须协调工作。需设置四个信号量 S1，S2， S3，S4，并令S1初值为1，S2初值为0， S3初值为0， S4初值为1。则程序可以写成：

//进程get

while(true){

P(S1);

从输入设备向缓冲区buffer1读数据；

V(S2);

};

//进程copy

while(true){

P(S2);

P(S4);

将buffer1的内容复制到buffer2;

V(S1);

V(S3);

};

//进程put

while(true){

P(S3);

将缓冲区 buffer2内容在打印机上输出；

V(S4);

};

六、信号量及P、V操作小结

需要指出的是，P、V操作虽然逻辑上完整，能比较有效地实现进程同步与互斥问题，但它也有明显的弱点：由于P或V操作每次只做加1或减1运算，即每执行一次P操作只能请求分配一个单位的资源，每执行一次V操作只释放出一个单位的资源，因此，如果一个进程需要一次使用多个资源，就需要连续执行多次P操作，释放这些资源时也需多次执行V操作。这不仅增加了程序的复杂性，也降低了通信效率，致使进程之间需要相互等待很长的时间，甚至有可能导致死锁的发生。

P、V操作在使用时必须成对出现，有一个P操作就一定有一个V操作。当为互斥操作时，它们同处于同一进程；当为同步操作时，则不在同一进程中出现。

如果进程中P (S1和P (S2)两个操作在一起，那么P操作的顺序至关重要，尤其是一个同步P操作与一个互斥P操作在一起时，同步P操作应出现在互斥P操作前。而两个V 操作的顺序无关紧要。

总而言之，信号量及P、V操作简单，而且表达能力强，用P、V操作可解决任何进程同步互斥问题。但P、V操作使用时不够安全，特别是P、V操作使用不当会出现死锁；此外遇到复杂同步互斥问题时用P、V操作实现也很复杂。

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