进程的同步与互斥--信号量

信号量

信号量是最早出现的用来解决进程同步与互斥问题的机制，
包括一个称为信号量的变量及对它进行的两个原语操作。

本节将从以下几个方面进行介绍--

一. 信号量的概念

二. 实例

一. 信号量的概念

1．信号量的类型定义

每个信号量至少须记录两个信息：信号量的值和等待该信号量的进程队列。它的类型定义如下：（用类PASCAL语言表述）
    semaphore = record
         value: integer;
         queue: ^PCB;
       end;
  其中PCB是进程控制块，是操作系统为每个进程建立的数据结构。
s.value>=0时，s.queue为空；
s.value<0时，s.value的绝对值为s.queue中等待进程的个数；

2． PV原语

对一个信号量变量可以进行两种原语操作：p操作和v操作，定义如下：   procedure p(var s:samephore);
     {
       s.value=s.value-1;
       if (s.value<0) asleep(s.queue);
     }
  procedure v(var s:samephore);
     {
       s.value=s.value+1;
       if (s.value<=0) wakeup(s.queue);
     }

其中用到两个标准过程：
  asleep(s.queue);执行此操作的进程的PCB进入s.queue尾部，进程变成等待状态
  wakeup(s.queue);将s.queue头进程唤醒插入就绪队列
s.value初值为1时，可以用来实现进程的互斥。
p操作和v操作是不可中断的程序段，称为原语。如果将信号量看作共享变量，则pv操作为其临界区，多个进程不能同时执行，一般用硬件方法保证。一个信号量只能置一次初值，以后只能对之进行p操作或v操作。
由此也可以看到，信号量机制必须有公共内存，不能用于分布式操作系统，这是它最大的弱点。

二. 实例

1．生产者-消费者问题（有buffer）

问题描述：
  一个仓库可以存放K件物品。生产者每生产一件产品，将产品放入仓库，仓库满了就停止生产。消费者每次从仓库中去一件物品，然后进行消费，仓库空时就停止消费。
解答：
  进程：Producer - 生产者进程，Consumer - 消费者进程
  共有的数据结构：
     buffer: array [0..k-1] of integer;
     in,out: 0..k-1;
       — in记录第一个空缓冲区，out记录第一个不空的缓冲区
     s1,s2,mutex: semaphore;
       — s1控制缓冲区不满,s2控制缓冲区不空,mutex保护临界区；
         初始化s1=k,s2=0,mutex=1
  producer（生产者进程）：
   Item_Type item;
  {
     while (true)
     {
       produce(&item);
       p(s1);
       p(mutex);
       buffer[in]:=item;
       in:=(in+1) mod k;
       v(mutex);
       v(s2);
     }
  }

  consumer（消费者进程）：
   Item_Type item;
  {
     while (true)
     {
       p(s2);
       p(mutex);
        item:=buffer[out];
        out:=(out+1) mod k;
        v(mutex);
        v(s1);
       consume(&item);
     }
   }

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2．第一类读-写者问题

问题描述：
  一些读者和一些写者对同一个黑板进行读写。多个读者可同时读黑板，但一个时刻只能有一个写者，读者写者不能同时使用黑板。对使用黑板优先级的不同规定使读者-写者问题又可分为几类。第一类问题规定读者优先级较高，仅当无读者时允许写者使用黑板。
解答：
  进程：writer - 写者进程，reader - 读者进程
  共有的数据结构：
     read_account:integer;
     r_w,mutex: semaphore;
       — r_w控制谁使用黑板,mutex保护临界区，初值都为1
  reader - (读者进程）：
  {
     while (true)
     {
       p(mutex);
       read_account++;
       if(read_account=1) p(r_w);
       v(mutex);
       read();
       p(mutex);
       read_account--;
       if(read_account=0) v(r_w);;
       v(mutex);
     }
  }

  writer - (写者进程）：
  {
     while (true)
     {
       p(mutex);
        write();
        v(mutex);
     }
   }

例程演示

3．哲学家问题

问题描述：
  一个房间内有5个哲学家，他们的生活就是思考和进食。房间里有一张圆桌，中间放着一盘通心粉（假定通心粉无限多）。桌子周围放有五把椅子，分别属于五位哲学家每两位哲学家之间有一把叉子，哲学家进食时必须同时使用左右两把叉子。
解答：
  进程：philosopher - 哲学家
  共有的数据结构&过程：
     state: array [0..4] of (think,hungry,eat);
     ph: array [0..4] of semaphore;
       — 每个哲学家有一个信号量，初值为0
     mutex: semaphore;
       — mutex保护临界区，初值=1
     procedure test(i:0..4);
     {
       if ((state[i]=hungry) and (state[(i+1)mod 5]<>eating)
       and (state[(i-1)mod 5]<>eating))
       { state[i]=eating;
          V(ph[i]);
       }
     }

  philosopher(i:0..4)：
  {
     while (true)
     {
       think();
       p(mutex);
       state[i]=hungry;
       test(i);
       v(mutex);
       p(ph[i]);
       eat();
       p(mutex);
       state[i]=think;
       test((i-1) mod 5);
       test((i+1) mod 5);
       v(mutex);
     }
  }

例程演示