信号量机制及信号量实现进程同步、互斥、前驱关系

2023-12-14 00:12:13

????????进程互斥的四种软件实现万式（单标志法、双标志先检查、双标志后检查、Peterson算法)进程互斥的三种硬件实现方式（中断屏蔽方法、TS/TSL指令、Swap/XCHG指令） 1.在双标志先检查法中，进入区的“检查”、“上锁”操作无法一气呵成，从而导致了两个进程有可能同时进入临界区的问题： 2.所有的解决方案都无法实现“让权等待”。

????????用户进程可以通过使用操作系统提供的一对原语来对信号量进行操作，从而很方便的实现了进程互斥、进程同步。信号量其实就是一个变量（可以是一个整数，也可以是更复杂的记录型变量），可以用一个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。

????????原语是一种特殊的程序段，其执行只能一气呵成，不可被中断。原语是由关中断/开中断指令实现的。软件解决方案的主要问题是由“进入区的各种操作无法一气呵成”，因此如果能把进入区、退出区的操作都用“原语”实现，使这些操作能“一气呵成”就能避免问题。一对原语：wait(S)原语和signal(S)原语，可以把原语理解为我们自己写的函数，函数名分别为wait和signal,括号里的信号量S其实就是函数调用时传入的一个参数。 wait、signal原语常简称为P、V操作（来自荷兰语proberen和verhogen)。因此，做题的时候常把 wait(S)、signal(s)两个操作分别写为P(S)、V(S)。

一、整型信号量

一个整型信号量维护一个整数值，该值可以被多个进程或线程并发地访问和修改。整型信号量通常用于控制对共享资源的访问，以确保多个并发执行的任务之间的协调和同步。

整型信号量的基本操作通常包括：

初始化： 在使用信号量之前，需要对其进行初始化，设置初始的整数值。这个整数值通常代表可用资源的数量。
等待（Wait）： 当一个任务希望使用资源时，它会尝试执行等待操作。如果当前信号量值大于零，表示有可用资源，任务可以继续执行。否则，任务可能需要等待，直到有足够的资源可用。
释放（Signal）： 当任务使用完资源后，它会执行释放操作，增加信号量的计数器。这通常会释放一个资源，使得其他等待资源的任务可以继续执行。

整型信号量的典型应用场景包括解决生产者-消费者问题、避免资源竞争等。

?二、记录型信号量

????????记录型信号量（record semaphore）是信号量的一种变体，它不仅包括一个整数值的计数器，还包括一个队列，用于跟踪等待信号量的进程或线程。

记录型信号量通常具有以下特征：

整数计数器： 与普通的整型信号量类似，记录型信号量也包含一个整数计数器，用于表示可用资源的数量。
等待队列： 记录型信号量额外包含一个等待队列，用于保存正在等待信号量的进程或线程的信息。这样，当一个任务试图获取一个信号量，但当前计数器值为零时，它会被放入等待队列，等待信号量的释放。
原子操作： 操作记录型信号量的增减等操作通常是原子的，以防止竞态条件。这确保了多个任务能够正确地协调并访问共享资源。

????????记录型信号量的使用场景与整型信号量类似，主要用于协调对共享资源的访问。当多个任务需要互斥地访问某一资源时，记录型信号量可以确保在任意时刻只有一个任务能够持有该资源。

三、信号量实现进程同步和互斥?

3.1 信号量实现进程互斥

????????信号量是一种用于控制进程或线程访问共享资源的同步机制，而进程互斥是信号量常见的应用之一。下面是使用信号量实现进程互斥的一般步骤：

初始化信号量： 创建一个信号量，并初始化其计数器。通常，这个计数器的初始值为1，因为我们希望在任意时刻只有一个进程能够进入临界区。
进入临界区前等待信号量： 在进入临界区之前，进程尝试等待信号量。如果信号量的值大于零，表示没有其他进程在临界区内，该进程可以继续执行临界区的代码。否则，它会被阻塞，等待信号量的值变为正数。
离开临界区后释放信号量： 进程在完成临界区的操作后，释放信号量，将信号量的值加一。这表示临界区现在可以被其他等待的进程访问。

3.2 信号量实现进程同步?

????????信号量也可以用于实现进程同步，确保多个进程按照某种顺序或协作来执行任务。进程同步的一个常见应用是生产者-消费者问题，其中生产者和消费者之间需要协调以避免数据竞争和不一致的情况。以下是使用信号量实现进程同步的一般步骤：

初始化信号量： 创建两个信号量，一个用于表示可用资源的数量，另一个用于表示等待的资源数量。
生产者等待资源： 在生产者代码中，当要生产一个资源时，它首先等待可用资源的信号量。
生产者生产资源： 生产者生产一个资源后，将可用资源的信号量增加。
消费者等待资源： 在消费者代码中，当要消费一个资源时，它首先等待可用资源的信号量。
消费者消费资源： 消费者消费一个资源后，将可用资源的信号量减少。