2.6 进程同步

2.6.3 信号量

　　前面互斥算法都存在问题，它们是平等进程间的一种协商机制，需要一个地位高于进程的管理者来解决共有资源的使用问题。操作系统可从进程管理者的角度来处理互斥的问题，信号量就是操作系统提供的管理公有资源的有效手段。
　　1．PV操作
　　信号量是由荷兰学者Hansan于1965年提出的一种卓有成效的进程同步机制。它是一个二元组（S，Q），其中，S是一个整型变量，初值为非负数，Q为一个初始状态为空的等待队列。在多道系统中，信号量机制是一种有效地实现进程同步与互斥的工具。信号量的值表示系统中某类资源的数目。若它大于0，则表示系统中当前可用资源的数量；若它小于0，表示系统中等待使用该资源的进程数目，即在该信号量队列上排队的PCB的个数。信号量的值是可变的，由P、V操作来改变。
　　P、V操作是对信号量进行处理的操作过程，而且信号量只能由P、V操作来改变。P操作是对信号量减1，意味着请求系统分配一个单位资源，若系统无可用资源，则先前进程变为阻塞状态；V操作是对信号量加1，意味着释放一个单位资源，加1后若信号量小于等于0，则从就绪队列中唤醒一个进程，执行V操作的进程继续执行。
　　对信号量S进行P操作，记为P(S)，P(S)的处理过程如下：
　　
　　对信号量进行P操作的主要目的是阻塞当前进程。
　　对信号量S进行V操作，记为V(S)，V(S)的处理过程如下：
　　
　　2．实现互斥模型
　　为临界资源设置一个互斥信号量S，其初值为1；在每个进程中，将临界区代码置于P(S)和V(S)原语之间。必须成对使用P和V原语：缺少P原语，则不能保证互斥访问，缺少V原语，则不能在使用临界资源之后，将其释放（给其他等待的进程）；P、V原语不能次序错误、重复或遗漏。互斥模型如下：
　　
　　3．实现同步模型
　　为进程设置一个同步信号量S，其初值为0；在进程需要同步的地方，分别插入P(S)和V(S)原语。一个进程使用P原语时，则另一进程往往使用V原语与之对应，具体怎么使用，要看实际情况来定。下面举个简单例子来说明。
　　有两个进程P1和P2，P1的功能是计算x=a+b的值，a和b是常量，在P1的前面代码中能得到；P2的功能是计算y=x+1的值。
　　若此两进程并发执行，则有同步关系：P2要执行y=x+1时，必须等到P1已经执行完x=a+b语句，原因很简单，因为y的值依赖于x的值。结合信号量P、V操作的含义，不难得出，使用P原语的进程可能会出现阻塞的状态；使用V原语的进程可能会出现被唤醒的过程。分析此例中的两进程，可知，P2进程可能会因为要等待x的值而阻塞，如果这样的话，P1进程就要在执行的过程中唤醒P2进程，那么何时唤醒它呢？应该在P1计算出x的值后唤醒。所以为了使P1、P2正常运行，用信号量来实现其同步的过程如下：