[OS] 信号量（Semaphore）

一个信号量S是一个整型量，除对其初始化外，它只能由两个原子操作P和V来访问。P和V的名称来源于荷兰文proberen(测试)和verhogen(增量)，后面亦将P/V操作分别称作wait(), signal()。

Wait()/Signal()的伪码表示：

Wait(){                 Signal(){
    while(S <= 0);          S ++;
    S--;                }
}

但这并不是信号量的最终实现，最终的信号量实现最好是能解决2个问题：
(1)不能忙等。
(2)有某种方式记录处于等待状态的进程数量。

信号量可以被用来解决n个进程的临界区问题，进程之间共享一个信号量mutex，mutex初始化为1。

下面是使用信号量的互斥实现(这里，初值为1的信号量代替了互斥锁的功能)：

do
{
    wait(mutex);
    //临界区；
    signal(mutex);
    //退出区；
}
while(1);

上述的信号量的概念描述中，P操作中的等待是用while循环形式的忙等来实现的-----忙等，浪费CPU时钟
使用忙等形式实现的信号量也被成为自旋锁（Spinlock）。
Spinlock在多处理器系统中是有用的，在进程等待一个锁的时候无需进行上下文切换，上下文切换可能需要花费很长的时间，在锁只需要保留较短时间时，自旋锁比较有用。

为了避免进程忙等，wait和signal的定义需要进行修改：
Wait:
当一个进程执行wait操作但发现信号量S<=0时，它必须等待，这里的等待不是忙等，而是阻塞自己。
阻塞操作将一个进程放入与信号量相关的等待队列中，且该进程的状态被切换成等待状态，接着控制被转到CPU调度程序，以选择另一个进程来执行。
Signal:
一个进程阻塞且等待信号量S，可以在其他进程执行signal操作之后被重新执行。

信号量的物理意义：
S>0表示有S个资源可用
S=0表示无资源可用
S<0，|S|表示S等待队列中的进程个数

为了定义基于阻塞（block）/唤醒（wakeup）的信号量，可以将信号量定义为如下一个"C"结构：

typedef  struct
{
    int value;
    struct process *L;//在该信号量上阻塞的进程队列
} semaphore;

Wait操作定义：

void  wait(semaphore S)
{
    S.value--;
    if(S.value<0)
    {
        add this process to S.L;
        block();
    }
}

Signal操作定义：

void  signal(semaphore S)
{
    S.value++;
    if(S.value<=0)
    {
        remove a process P from S.L;
        wakeup(P);
    }
}

下图是Wait()和Signal()操作执行的流程图：

　 　 Wait()　　　　　　　　　　  Signal()