操作系统学习-6. 信号量

写在前面：

这一篇博客将讨论信号量(Semaphores)机制。将学习三种基本类型的信号量，然后将用信号量实现互斥与前趋两种进程关系。

该机制由荷兰学者 Dijkstra 提出，是一种卓有成效的进程同步工具。
在系统中，给予每一个进程一个信号量，代表每个进程目前的状态，未得到控制权的进程会在特定地方被强迫停下来，等待可以继续进行的信号到来。如果信号量是一个任意的整数，通常被称为计数信号量（Counting semaphore），或一般信号量（general semaphore）；如果信号量只有二进制的0或1，称为二进制信号量（binary semaphore）。在linux系统中，二进制信号量（binary semaphore）又称互斥锁（Mutex）。——Wikipedia。

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(Atomic Operation) wait(S)和 signal(S)来访问。这两个操作一直被分别称为 P、V 操作。wait操作是使进程等待，申请资源；signal操作是使资源释放。

其实就是利用整型数这样的一个数据结构来表示进程资源是否可用：

• 当S<=0时，资源不可用；
• 当S>0时，资源可用。

进一步，Wait(S)与Signal(S)操作可描述为:

wait(S)： while S<=0 do no-op；
          S:=S-1；

signal(S)： S:=S+1；

wait(S)和 signal(S)是两个原子操作，因此，它们在执行时是不可中断的。亦即，当一个进程在修改某信号量时，没有其他进程可同时对该信号量进行修改。此外，在 wait 操作中，对 S 值的测试和做 S:=S-1 操作时都不可中断。

在整型信号量机制中的 wait 操作，只要是信号量 S≤0，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。换句话说，一旦一个进程需要的资源不可用，那么进程就会一直等待，直到资源可用为止，相当于在火车上，想上厕所，但厕所现在有人，那么就会一直等到里面的人出来，然后去上厕所才行。而应该退出临界区。为了解决这一问题，提出了记录型信号量。

记录型信号量：

记录型信号量机制是一种不存在“忙等”现象的进程同步机制。但在采取了“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。为此，在信号量机制中，除了需要一个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 L，用于链接上述的所有等待进程。记录型信号量是由于它采用了记录型的数据结构而得名的。它所包含的上述两个数据项可描述为：

type semaphore=record
               value: integer；
               L: list of process；
               end

相应地，wait(S)和 signal(S)操作可描述为：

procedure wait(S)
          var S：semaphore；
          begin
              S.value:=S.value-1；
              if S.value<0 then block(S.L)；
          end

procedure signal(S)
          var S: semaphore；
          begin
              S.value:=S.value+1；
              if S.value<=0 then wakeup(S.L)；
          end

在记录型信号量机制中，S.value 的初值表示系统中某类资源的数目，因而又称为资源信号量。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量，用于进程互斥。当 S.value<=0 时，表示该类资源已分配完毕；当 S.value>0 时，表示该类资源可用。

每次 wait 操作，意味着进程请求一个单位的该类资源，使系统中可供分配的该类资源数减少一个，因此描述为 S.value:=S.value-1；当 S.value<0 时，表示该类资源已分配完毕，因此进程应调用 block 原语，进行自我阻塞，放弃处理机，并插入到信号量链表S.L 中。

每次 signal 操作，表示执行进程释放一个单位资源，使系统中可供分配的该类资源数增加一个，故 S.value:=S.value+1 操作表示资源数目加 1。若加 1 后仍是 S.value≤0，则表示在该信号量链表中，仍有等待该资源的进程被阻塞，故还应调用 wakeup 原语，将 S.L 链表中的第一个等待进程唤醒。

关于block与wakeup原语可参考：操作系统学习-4. 进程控制

AND型信号量：

上述的进程互斥问题，是针对各进程之间只共享一个临界资源而言的。在有些应用场合，是一个进程需要先获得两个或更多的共享资源后方能执行其任务。然而这些时候如果仍采用记录型信号量，会导致两个进程各占用一部分的共享资源，从而谁也不让谁，导致“死锁”。

例如：现有两个进程 A和 B，他们都要求访问共享数据 D 和 E。可为这两个数据分别设置用于互斥的信号量 Dmutex 和 Emutex，并令它们的初值都是 1。。相应地，在两个进程中都要包含两个对 Dmutex 和 Emutex 的操作，即：

process A: wait(Dmutex)；wait(Emutex)；
process B: wait(Emutex)；wait(Dmutex)；

若进程 A 和 B 按下述次序交替执行 wait 操作：

process A: wait(Dmutex)； //于是 Dmutex=0
process B: wait(Emutex)； //于是 Emutex=0
process A: wait(Emutex)； //于是 Emutex=-1 A 阻塞
process B: wait(Dmutex)； //于是 Dmutex=-1 B 阻塞

最后，进程 A 和 B 处于僵持状态。在无外力作用下，两者都将无法从僵持状态中解脱出来。我们称此时的进程 A 和 B 已进入死锁状态。显然，当进程同时要求的共享资源愈多时，发生进程死锁的可能性也就愈大。

宁可锦上添花，也不雪中送炭：
AND 同步机制的基本思想是：将进程在整个运行过程中需要的所有资源，一次性全部地分配给进程，待进程使用完后再一起释放。只要尚有一个资源未能分配给进程，其它所有可能为之分配的资源也不分配给它。亦即，对若干个临界资源的分配，采取原子操作方式：要么把它所请求的资源全部分配到进程，要么一个也不分配。由死锁理论可知，这样就可避免上述死锁情况的发生。

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(Simultaneous wait)定义如下:

Swait(S1，S2，…，Sn)
        if S1>=1 and … and Sn>=1 then
            for i:=1 to n do
                Si:=Si-1；
            endfor
        else
            当发现第一个Si<1就把该进程放入等待队列，并将其程序计数器置于Swait操作的开始位置。
        endif

同样的，同时signal操作，即Ssignal(Simultaneous signal)定义如下：

Ssignal(S1，S2，…，Sn)
        for i:=1 to n do
            Si:=Si+1；
        将所有等待Si的进程由等待队列取出放入到就绪队列。
        endfor；

这里有涉及到程序计数器的概念，程序计数器(Program Counter,PC)是用于存放下一条指令所在单元的地址的地方。当执行一条指令时，首先需要根据PC中存放的指令地址，将指令由内存取到指令寄存器中，此过程称为“取指令”。与此同时，PC中的地址或自动加1或由转移指针给出下一条指令的地址。此后经过分析指令，执行指令。完成第一条指令的执行，而后根据PC取出第二条指令的地址，如此循环，执行每一条指令。

利用信号量实现进程互斥：

为使多个进程能互斥地访问某临界资源，只须为该资源设置一互斥信号量 mutex，并设其初始值为 1，然后将各进程访问该资源的临界区 CS 置于 wait(mutex)和 signal(mutex)操作之间即可。

关于访问临界资源的循环进程可参考：操作系统学习-5. 进程同步 。

利用信号量实现进程互斥的进程可描述如下：

Var mutex: semaphore:=1；
    begin
        parbegin
            process 1: begin
                           repeat
                               wait(mutex)；
                               critical section
                               signal(mutex)；
                               remainder seetion
                           until false；
                        end
            process 2: begin
                           repeat
                               wait(mutex)；
                               critical section
                               signal(mutex)；
                               remainder section
                           until false；
                       end
        parend
    end

每个欲访问该临界资源的进程在进入临界区之前，都要先对 mutex 执行wait 操作，若该资源此刻未被访问，本次 wait 操作必然成功，进程便可进入自己的临界区；这时若再有其他进程也欲进入自己的临界区，此时由于对 mutex 执行 wait 操作定会失败，因而该进程阻塞，从而保证了该临界资源能被互斥地访问。

当访问临界资源的进程退出临界区后，又应对 mutex 执行 signal 操作，以便释放该临界资源。

在利用信号量机制实现进程互斥时应注意，wait(mutex)和 signal(mutex)必须成对地出现。
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；
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。

用信号量实现前趋关系：

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。我们希望在 S1 执行后再执行 S2。

为实现这种前趋关系，我们只须使进程 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 S1 后面；而在 S2 语句前面插入 wait(S)操作，即：

• 在进程 P1 中，用 S1；signal(S)；
• 在进程 P2 中，用 wait(S)；S2；

由于 S 被初始化为 0，这样，若 P2 先执行必定阻塞，只有在进程 P1 执行完 S1；signal(S)；操作后使 S 增为 1 时，P2 进程方能执行语句 S2 成功。

同样，我们可以利用信号量，按照语句间的前趋关系(见下图)，写出一个更为复杂的可并发执行的程序。

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图1.前趋图举例

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图中 S1，S2，S3，…，S6 是最简单的程序段(只有一条语句)。

为使各程序段能正确执行，应设置若干个初始值为“0”的信号量。如为保证 S1→S2，S1→S3的前趋关系，应分别设置信号量 a 和 b，同样，为了保证 S2→S4，S2→S5，S3→S6，S4→S6和 S5→S6，应设置信号量 c，d，e，f，g。进程描述如下：

Var a,b,c,d,e,f,g：semaphore: =0,0,0,0,0,0,0；
    begin
        parbegin
            begin 
                S1； 
                signal(a)； signal(b)； 
            end；
            begin 
                wait(a)； 
                S2； 
                signal(c)； signal(d)； 
            end；
            begin 
                wait(b)； 
                S3； 
                signal(e)； 
            end；
            begin 
                wait(c)； 
                S4； 
                signal(f)； 
            end；
            begin 
                wait(d)； 
                S5； 
                signal(g)； 
            end；
            begin 
                wait(e)； wait(f)； wait(g)； 
                S6； 
            end；
        parend
    end