2013-07-22 20:20:30
信号量是解决过程同步和互斥问题的第一种机制，包括称为信号量的变量和对其的两个原语操作。 信号量为整数，设该信号量为sem。 很明显，sem大于或等于0表示并发进程可以使用的资源实体数，而sem小于0表示等待使用临界空间的进程数。 根据这个原则，信号量取初始值时，我们显然要使初始值大于零。
p操作和v操作是不可中断的段，称为原语。 p，v原语的p是荷兰语的Passeren，相当于英语的pass。 v是荷兰语的Verhoog，相当于英语的incremnet。
另外，在p、v愿望语的执行中不允许发生中断。
关于具体的实现，方法非常多，既能够以硬件实现，也能够以软件实现。 该信号机制需要分布式操作系统无法使用的通用内存。 这是最大的弱点。
首先，需要弄清楚PV操作的含义。 PV操作由p操作原语和v操作原语构成。 原语是一个不可中断的过程。 操作信号量。 具体定义如下。
p(s ) :信号量s值减1，即S=S-1；
如果S=0，则该过程继续执行； 否则，进程将进入等待状态并进入队列。
V(S ) :信号量s值加1，即S=S 1；
s0时，该过程继续运行； 否则，释放队列中的第一个信号等待过程。
PV操作的含义：信号和PV操作实现流程同步和互斥。 PV操作是过程的低级通信。
信号量是什么？ “信号”(semaphore )的数据结构是值和指针，指针指向等待该信号的下一个过程。 信号量值与相应资源的使用情况相关。 值大于0表示当前可用资源的数量。 如果该值小于0，则绝对值表示等待使用资源的进程数。 请注意，信号量值只能通过PV操作更改。
通常，信号量S=0表示可用资源的数量。 执行一次p操作意味着请求分配单位资源，因此s的值将减去1
如果为S0，则请求者在另一进程释放此类资源之前无法运行，因为没有可用资源。 执行v操作意味着释放单位资源，因此将s的值加1
如果S=0，则表示存在正在等待资源的进程，因此调用并运行等待状态的进程
通过信号和PV操作实现流程互斥的常见模型如下。
进程P1进程P2……进程Pn
………
p(s； p(s； p(s；
临界区； 临界区； 临界区；
v(s； v(s； v(s；
这里，信号量s用于互斥，初始值为1
使用PV操作实现进程互斥时，请注意以下事项：
(1)每个程序用户实现互斥的p、v操作必须成对出现，首先进行p操作，进入临界区，然后进行v操作，退出临界区。 如果有多个分支点，请仔细检查配对性。
)2) p、v操作分别紧贴临界区头尾部，临界区代码尽量缩短，不得有死循环。
)3)排他信号量的初始值一般为1。
通过信号量和PV操作同步进程
PV操作是典型的同步机制之一。 将一个信号量与一条消息联系起来，信号量值为0表示尚未发生预期消息； 信号量值不为0表示期望的消息已经存在。 在PV操作中实现过程同步时，调用p操作测试消息是否到达，调用v操作发送消息。
通过信号和PV操作实现流程互斥的常见模型如下。
进程a进程b
.
L: P (信号量) L2:V (信号量)
.
使用PV操作同步进程时，请注意以下事项：
)分析进程之间的约束关系，确定信号量类型。 如果进程之间保持正确的同步关系，则通过先执行哪个进程、后执行哪个进程以及相互在哪个资源(信号)上协调来明确配置哪个信号。
(2)信号量的初始值与对应的资源的数量有关，也与程序代码中p、v操作的出现位置有关。
)3)同一信号量的p、v操作成对出现，但分别在不同的过程代码中。
【例1】生产者-消费者问题
在多个程序环境中，进程同步是一个非常重要和有趣的问题
题，而生产者-消费者问题是其中一个有代表性的进程同步问题。下面我们给出了各种情况下的生产者-消费者问题，深入地分析和透彻地理解这个例子，对于全面解决操作系统内的同步、互斥问题将有很大帮助。(1)一个生产者，一个消费者，公用一个缓冲区。
定义两个同步信号量：
empty——表示缓冲区是否为空，初值为1。
full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。
生产者进程
while(TRUE){
生产一个产品;
P(empty);
产品送往Buffer;
V(full);
}
消费者进程
while(TRUE){
P(full);
从Buffer取出一个产品;
V(empty);
消费该产品;
}
(2)一个生产者，一个消费者，公用n个环形缓冲区。
定义两个同步信号量：
empty——表示缓冲区是否为空，初值为n。
full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。
设缓冲区的编号为1～n&61485;1，定义两个指针in和out，分别是生产者进程和消费者进程使用的指针，指向下一个可用的缓冲区。
生产者进程
while(TRUE){
生产一个产品;
P(empty);
产品送往buffer(in);
in=(in+1)mod n;
V(full);
}
消费者进程
while(TRUE){
P(full);
从buffer(out)中取出产品;
out=(out+1)mod n;
V(empty);
消费该产品;
}
(3)一组生产者，一组消费者，公用n个环形缓冲区
在这个问题中，不仅生产者与消费者之间要同步，而且各个生产者之间、各个消费者之间还必须互斥地访问缓冲区。
定义四个信号量：
empty——表示缓冲区是否为空，初值为n。
full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。
mutex1——生产者之间的互斥信号量，初值为1。
mutex2——消费者之间的互斥信号量，初值为1。
设缓冲区的编号为1～n&61485;1，定义两个指针in和out，分别是生产者进程和消费者进程使用的指针，指向下一个可用的缓冲区。
生产者进程
while(TRUE){
生产一个产品;
P(empty);
P(mutex1);
产品送往buffer(in);
in=(in+1)mod n;
V(mutex1);
V(full);
}
消费者进程
while(TRUE){
P(full);
P(mutex2);
从buffer(out)中取出产品;
out=(out+1)mod n;
V(mutex2);
V(empty);
消费该产品;
}
需要注意的是无论在生产者进程中还是在消费者进程中，两个P操作的次序不能颠倒。应先执行同步信号量的P操作，然后再执行互斥信号量的P操作，否则可能造成进程死锁。
【例2】桌上有一空盘，允许存放一只水果。爸爸可向盘中放苹果，也可向盘中放桔子，儿子专等吃盘中的桔子，女儿专等吃盘中的苹果。规定当盘空时一次只能放一只水果供吃者取用，请用P、V原语实现爸爸、儿子、女儿三个并发进程的同步。
分析 在本题中，爸爸、儿子、女儿共用一个盘子，盘中一次只能放一个水果。当盘子为空时，爸爸可将一个水果放入果盘中。若放入果盘中的是桔子，则允许儿子吃，女 儿必须等待；若放入果盘中的是苹果，则允许女儿吃，儿子必须等待。本题实际上是生产者-消费者问题的一种变形。这里，生产者放入缓冲区的产品有两类，消费 者也有两类，每类消费者只消费其中固定的一类产品。
解：在本题中，应设置三个信号量S、So、Sa，信号量S表示盘子是否为空，其初值为l；信号量So表示盘中是否有桔子，其初值为0；信号量Sa表示盘中是否有苹果，其初值为0。同步描述如下：
int S＝1;
int Sa＝0;
int So＝0;
main()
{
cobegin
father(); /*父亲进程*/
son(); /*儿子进程*/
daughter(); /*女儿进程*/
coend
}
father()
{
while(1)
{
P(S);
将水果放入盘中;
if(放入的是桔子)V(So);
else V(Sa);
}
}
son()
{
while(1)
{
P(So);
从盘中取出桔子;
V(S);
吃桔子;
}
}
daughter()
{
while(1)
{
P(Sa);
从盘中取出苹果;
V(S);
吃苹果;
}
}
例题3 设公交车上,司机和售票员的活动如下：司机;启动车辆;正常行使,到站停车. 售票员;关车门,售票 开车门. 在汽车不断到站 停车 行驶过程中这两个活动有什么同步关系? 用信号量和pv操作实现。
设信号量为s1(是否开车)和s2(是否停车),s1=1,s2=0;
司机进程： 售票员进程：
begin begin
L1: L2:
P(S1); 关闭车门；
启动车辆； V(s1);
正常行驶； 售票；
V(s2)； P(s2);
goto L1; 开车门；
end； goto L2;
end；
思考题：
四个进程A、B、C、D都要读一个共享文件F，系统允许多个进程同时读文件F。但限制是进程A和进程C不能同时读文件F，进程B和进程D也不能同时读文件F。为了使这四个进程并发执行时能按系统要求使用文件，现用PV操作进行管理，请回答下面的问题：
(1)应定义的信号量及初值： 。
(2)在下列的程序中填上适当的P、V操作，以保证它们能正确并发工作：
A() B() C() D()
{ { { {
[1]; [3]; [5]; [7];
read F; read F; read F; read F;
[2]; [4]; [6]; [8];
} } } }
思考题解答：
(1)定义二个信号量S1、S2，初值均为1，即：S1=1，S2=1。其中进程A和C使用信号量S1，进程B和D使用信号量S2。
(2)从[1]到[8]分别为：P(S1) V(S1) P(S2) V(S2) P(S1) V(S1) P(S2) V(S2)
信号量、PV操作是解决进程间的同步与互斥问题的。
★ 做题时尤其要注意隐藏的同步、互斥问题。这些问题通常可以归入生产者－消费者问题和阅读者－写入者问题。
★ PV操作一定是成对出现的，但是这不意味着它会在一个进程内成对出现。
★ 在互斥关系中，PV操作一定是在一个进程内成对出现。而且，信号一定大于0,具体多少视情况而定。而对于同步关系，则一对PV操作在两个进程或者更多的进程中出现。
★ 对于同步关系，信号量可能为0，也可能不为0；用于同步的信号个数可能1个，也可能是多个。
★ 对信号量为1的，应该先执行V操作。
★ 在生产者－消费者问题中，要设置三个信号量：empty－空闲的缓存区数量，初值为n；full－已填充的缓存区数量，初值为0；mutex－保证只有一个进程在写入缓存区，初值为1。
★ 在阅读者－写入者问题中，设置两个信号量：信号量access－控制写入互斥，初值为1；信号量rc－控制对共享变量ReadCount(读者统计值)的互斥访问。
转自：http://hongti88.blog.163.com/blog/static/38276487200882733818688/