信号量与管程

一、信号量

1. 信号量是操作系统提供的一种协调共享资源访问的方法，用信号量表示系统资源的数量。

信号量是一种抽象数据类型，由一个整形（sem）变量和两个原子操作组成。

2. 这两个原子操作分别是

• P()（Prllaag：荷兰语，尝试减少）

1. sem减一
2. 若sem<0，进入等待，否则继续

• V()（Verhoog：荷兰语，增加）

1. sem加一
2. 若sem≤0，唤醒一个等待进程

3. 信号量的特性

• 信号量是被保护的整数变量

1. 初始化完成后，只能通过P() 和V()操作修改
2. 由操作系统保证，PV操作是原子操作

• P() 可能阻塞，V()不会阻塞
• 通常假定信号量是“公平的”

1. 线程不会无限期的阻塞在P() 操作
2. 假定信号量等待按FSFO（先进先出）排队

4. 信号量的实现

二、信号量的使用

1. 信号量分类，可分为两种信号量

• 二进制信号量：资源数目为0或1
• 资源信号量：资源数目为任何非负值

两者等价，基于一个可以实现另一个。

2.用信号量实现临界区的互斥访问

每个临界区设置一个信号量，其初值为1。

 必须成对使用P()操作和V()操作

• P()操作保证互斥访问临界资源
• V()操作在使用后释放临界资源
• PV操作不能次序错误，重复或遗漏

 3.用信号量实现条件同步

 同步：合作的并发进程需要按先后次序执行。例如：一个进程的执行依赖于合作进程的消息或信号。当一个进程没有得到来自合作进程的消息或信号时需阻塞等待，直到消息或信号到达才唤醒。

4. 消费者-生产者问题

 有界缓冲区的生产者-消费者问题描述

• 一个或多个生产者在生成数据后放在一个缓冲区里
• 单个消费者从缓冲区取出数据处理
• 任何时刻只能有一个生产者或者消费者可访问缓冲区

5. 用信号量解决生产者-消费者问题

问题分析：

• 任何时候时刻只能有一个线程操作缓冲区（互斥访问）
• 缓冲区空时，消费者必须等待生产者（条件同步）
• 缓冲区满时，生产者必须等待消费者（条件同步）

用信号量描述每个约束：

• 二进制信号量mutex
• 资源信号量fullBuffers
• 资源信号量emptyBuffers

实现过程：

1. 信号量赋值：mutex赋值为1，fullBuffers赋值为0，emptyBuffers赋值为n。
2. Deposit线程：对emptyBuffers进行P操作，emptyBuffers减一，当emptyBuffers为0时，表示缓冲区满，作P操作将发生阻塞，需等待Remove线程中对emptyBuffers进行V操作，表示消费者从缓冲区移出了一次数据。从而完成了条件同步
3. 对mutex进行P操作，mutex变为0，若此时切换到Remove线程，mutex再次执行P操作会发生堵塞，从而完成互斥的功能。
4. 将数据c添加到缓冲区，并对mutex进行V操作，mutex加一，相当于解除锁定。
5. fullBuffers进行V操作，fullBuffers加一，可表示生产者已经添加了一次数据到缓冲区。
6. Remove线程：对fullBuffers进行P操作，若fullBuffers非零，则其值减一后继续往下执行。若fullBuffers的值为0，表示缓冲区没有数据，则对其进行P操作将引起阻塞，需等待Deposit线程中的V操作。从而完成了条件同步。
7. 同Desposit线程，在将数据移出缓冲区的操作之前和之后分别对mutex进行P操作和V操作，可完成互斥功能。
8. 对emptyBuffers进行V操作，emptyBuffers加一，表示消费者已经从缓冲区移出了一次数据。

问1：Deposit线程中emptyBuffers的P操作与mutex的P操作能否互换位置？

答：不能，因为P操作可能引起阻塞，如：当emptyBuffers为0时表示缓冲区满，此时先执行mutex的P操作，可继续往下执行，再对emptyBuffers执行P操作时，会被阻塞，到消费者线程，fullBufffers进行P操作，可继续往下执行，再对mutex执行P操作，此时mutex为0，会产生阻塞，从而不能继续往下执行到emptyBuffers的V操作，从而产生了死锁。

问2：Deposit线程中mutex的V操作与fullBuffers的P操作能否互换位置？

答：能，因为V操作的作用是使得信号量加一，并且唤醒等待的线程，因此不会产生阻塞，可以互换位置。