[OS]简述信号量机制

首先先来认识一下进程调度过程中经常用到的概念，临界资源和临界区。

临界资源：系统中某些资源一次只允许一个进程使用。

临界区：不管是硬件临界资源还是软件临界资源，多个进程必须互斥对其进行访问，每个进程中访问临界资源的代码称为临界区。

/**
*  访问临界资源的循环进程描述
**/
while(true){
  进入区    //检查是否能够访问临界资源的代码
  临界区		 //对临界资源进行互斥访问
  退出区		 //结束访问临界资源的代码	 
  剩余区  	 //临界区及退出区以外的代码
}
           

同步机制应遵循的规则：

1. 空闲让进
2. 忙则等待
3. 有限等待（应该保证在有限时间内能够进入）
4. 让权等待（当进程不能进入自己的临界区时，立即释放处理机，以免进程陷入“忙等”状态

信号量机制

Dijstktra提出整型信号量以来，信号量机制得到了很大的发展：

从整型信号量经记录型信号量，进而发展为**“信号集”机制**

信号量机制是一种有效的进程同步机制。

**整型信号量：**并未遵循 “让权等待” 的原则，使进程处于 “忙等” 状态

//P, V操作是原子操作，在一个进程修改信号量时，另一个进程不能进行修改
//整型信号量表示一个用于表示资源数目的整形量S
//P操作是「通过」
wait(S){
 while(S <= 0);
  S--;
}
//V操作是「释放」
signal(S){
  S++;
}
           

记录型信号量：不存在 ”忙等“，采取 ”让权等待“ 原则

using semaphore = struct{
  int value;  //value表示某类资源的数量，如果value的值是1的话，表示只允许一个进程访问临界资源，此时信号量为互斥信号量
  struct process_control_block * list;     //进程指针链表，存储等待进程，「记录型信号量」由此得名
};

wait(semaphore * S){
  S->value--;     //使某一类资源数量减1
  if(S->value < 0) block(S->list);  //当S->value < 0时，表示已分配完成，此时调用block原语进行自我阻塞，并放弃处理机，将进程插入到信号量链表S中
}

signal(semaphore * S){
  S->value++;     //释放某一类资源，使其数量加1
  if(S->value <= 0) wakeup(S->list);   //S->value <= 0意味着此时等待链表还有任务等待中，唤醒第一个等待进程
}
           

AND型信号量：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，一次性全部分配给进程，待进程使用完之后再一起释放，以避免死锁。

Swait(S1, S2, ..., Sn){
  while(true)
    if(S1 >= 1 && S2 >= 1 && ... && Sn >= 1){
      for(int i = 1; i <= n; ++i)
        	Si --;
      break;
    }
  else{
    	放到等待队列中等待
  }
}


Signal(S1, S2, ..., Sn){
  while(true){
    for(int i = 1; i <= n; ++i)
      	Si++;
     将进程从等待队列移出，使其进行
  }
}
           

信号量集：对AND机制进行扩充，对进程申请的所有资源以及每类资源的不同的资源需求量，在一次P，V原语操作中完成

Swait(S1, t1, d1, ..., Sn, tn, dn)
Ssignal(S1, t1, d1, ..., Sn, tn, dn)  
           

使用信号量机制实现进程互斥：为该资源设置一互斥信号量

mutex

，设置初值为1，将个进程访问该资源的临界区CS置于

wait(mutex)

和

signal(mutex)

中

//P操作和V操作必须成对出现,否则：
//1. 缺少wait(mutex)将会导致系统混乱，不能保证对临界资源的互斥访问
//2. 缺少signal(mutex)将会使临界资源得不到释放
semaphore mutex = -1;
P(){
  while(true){
    wait(mutex);
    临界区;
    signal(mutex);
    剩余区;
  }
}