计算机操作系统进程同步（信号量pv专题）

一 基本概念

1.1 多道程序中的制约关系

• 间接制约关系（进程互斥）：源于资源共享。如，共享打印机
• 直接制约关系（进程同步）：源于进程间的合作。如，输入进程和计算进程

---

下列活动分别属于哪种制约关系？
（I）使用共享单车；（2）打篮球；
（3）流水线生产的各道工序；（4）商品生产和社会消费
1、2为间接制约关系3、4为直接制约关系

1.2 临界资源(Critical Resouce)

• 在一段时间内只允许一个进程访问的资源，即仅当一个进程访问完并释放该资源后，才允许另一个进程访问的资源。如打印机、 磁带机、共享变量等，都属于临界资源，诸进程间应采取互斥方式，实现对这种资源的共享。

1.3 三区：进入区、临界区、退出区

• 进入区：在临界区前用于检查临界区是否被访问的标志的代码
• 退出区：将临界区正被访问的标志恢复为未被访问的标志
• 临界区：进程中访问临界资源的那段代码
  
• 若能保证诸进程互斥地进入自己的临界区，便可实现诸进程对临界资源的互斥访问。
• 每个进程在进入临界区之前，应先对欲访问的临界资源进行检查，看是否正被访问，如果此刻该资源未被访问，便可进入临界区对该临界资源进行访问，并设置它正被访问的标志；如果此刻它正被访问，则本进程不能进入临界区。

二 同步机制应遵循的原则

1. 空闲让进：当无进程处于临界区时，允许一个请求进入临界区的进程立即进入自己的临界区，以便有效地利用临界资源。
2. 忙则等待：已有进程进入临界区时，其他试图进入临界区的进程必须等待，以保证对临界资源的互斥访问。
3. 有限等待：对要求访问临界资源的进程，应保证在有限的时间内能进入自己的临界区，以免陷入“死锁”状态
4. 让权等待：当进程不能进入自己的临界区时，应立即释放处理机，以免进程陷入“忙等”

三 信号量机制类型

• 信号量（Semaphores）机制是一种卓有成效的进程同步工具
• （信号量）是一种只能进行P操作和V操作的特殊变量
• 对于两个并发进程，设互斥信号量为mutex，若mutex=0，则（表示有一个进程进入临界区）
• 操作系统中，对信号量S的P原语操作定义中，使进程进入相应等待队列等待的条件是（S<0）

3.1 整型信号量

• 最初由Dijkstra把整型信号量定义为一个用于表示资源数目的整型量S，它与一般整型量不同，除初始化外，仅能通过两个标准的原子操作wait(S)和signal(S)来访问，这两个操作一般称为P、V操作。
• wait(s)和signal(s)是两个原子操作，在执行时是不可中断的。即，当一个进程在修改某信号量时，没有其他进程可以同时对该信号量进行修改

  wait(S){
     while(S<=0);
     S=S--;
  }
  signal(S){
    S=S++;
  }
  

---

• 整型信号量的应用

  int s =1;
  Printer(){
      wait(s);
      print the document on the paper;
      signal(s);
  }
  

3.2 记录型信号量

• 在信号量机制中，除了用于代表资源数目的整型变量value外，还应增加一个进程链表指针list，用于链接上述的所有等待进程。
• 整型信号量机制中的wait操作，只要是信号量S≤O，就会不断地测试。因此，该机制并未遵循“让权等待”的准则，而是使进程处于“忙等”的状态。
• **记录型信号量机制则是一种不存在“忙等”现象的进程同步机制.**采取“让权等待”的策略后，又会出现多个进程等待访问同一临界资源的情况。
  

typedef struct
{
    int value ;
    struct process_control _block
}semaphore ;

• S->value的绝对值表示在该信号量链表中已阻塞进程的数目
• 如果S->value的初值为1，表示只允许一个进程访问临界资源，此时的信号量转化为互斥信号了，用于进程互斥

3.3 AND型信号量

• 思想：将进程在整个运行过程中需要的所有资源，采取原子操作方式：要么全部分配给进程，要么一个也不分配
• 解决：一个进程需要获得两个以上的资源需求
• 为此，在wait操作中增加了一个“AND”条件，故称为AND同步，或称为同时wait操作，即Swait（simultaneouswait)
  
  

3.4 信号量集

• 在记录型信号量机制中，wait(S)或signal(S)操作仅能对信号量施以加1或减1操作，每次只能对某类临界资源进行一个单位的申请或释放。当一次需要N个单位时，便要进行N次wait(S)操作，这显然是低效的，甚至会增加死锁的概率。
• 对AND信号量机制加以改进，对进程所申请的所有资源以及每类资源不同的资源需求量，在一次P、V原语操作中完成申请或释放
  1. 进程对信号量Si的测试值不再是1，而是该资源的分配下限值ti，即要求Si≥ti，否则不予分配。
  2. 一旦允许分配，进程对该资源的需求值为di，即表示资源进行Si=Si-di操作，而不是简单的Si=Si-1操作
     
     

---

• 特殊情况
  • wait(S,d,d)：信号量集中只有一个信号量S，但允许它每次申请d个资源，当现有资源小于d时，不予分配
  • wait(S,1,1)：等同于一般的记录型信号量（S>1）或互斥信号量（S=1）
  • wait(S,1,0)：当S≥1时，允许多个进程进入某特定区;当S变为0后，阻止所有进程进入临界区。其功能类似于可控开关。

四 信号量的应用

4.1 信号量实现进程互斥

• 为临界资源设置一个互斥信号量mutex，其初值为1
• 各进程访问该资源的临界区置于wait（mutex）和signal（mutex）之间即可
  • wait（mutex)进入区
  • signal (mutex)退出区
• mutex的取值为（-1，0，1）：
  1. mutex=1：两个进程都未进入临界区；
  2. mutex=0：有一个进程进入临界区运行，另一个如需运行，必须等待，挂入阻塞队列;
  3. mutex=-1：有一个进程正在临界区运行，另一个进程因等待而阻塞在信号量队列中，需要被当前已在临界区运行的进程在退出时唤醒

• 缺少signal(mutex)将会使临界资源永远不被释放，从而使因等待该资源而阻塞的进程不能被唤醒
• wait(mutex)和signal(mutex)必须成对出现。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

---

栗子

• 某交通路口设置了一个自动计数系统，该系统由“观察者”进程和“报告者”进程组成。观察者进程能识别卡车,并对通过的卡车计数；报告者进程定时将观察者的计数值打印输出，每次打印后把计数值清“0”。两个进程的并发执行可完成对每小时中卡车流量的统计。

第1步：搞清楚谁是临界资源计数值count
第2步：搞清楚哪些是临界区访问count的语句，包括累加、打印和清零

4.2 信号量实现前趋关系 (同步关系)

• 设有两个并发执行的进程P1和P2。P1中有语句S1；P2中有语句S2
• 使进程P1和P2共享一个公用信号量S，并赋予其初值为0，将signal(S)操作放在语句A后面，而在B语句前面插入wait(S)操作，即在进程P1中，用A→ signal(S)的顺序执行；在进程P2中，用wait(S)→B的顺序执行。由于S被初始化为0，若P2先执行必定阻塞，只有在进程P1执行完A和signal(S)操作后使S增为1时，P2进程方能成功执行语句B
  
  

4.3 信号量控制使用资源进程数量（资源管控）

• 系统中有5台打印机可以使用，请使用进程同步机制使得最多可以有5个进程可以同时使用打印机，多于5个进程使用时，要对新申请进程进行阻塞。

  struct semaphore S;
  S.value=5 ;
  Printer{
       wait(S);
       print the document on the paper;
       signal(S);
  }