信号量深入理解，疑问解答

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。

     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）

       
4000
  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。

     V原语的主要操作是：

     （1）sem加1；

     （2）若相加结果大于零，则进程继续执行；

     （3）若相加结果小于或等于零，则唤醒一阻塞在该信号量上的进程，然后再返回原进程继续执行或转进程调度。

     典型理解偏差：

     一，以V原语的1、2步来做，Sem不就永远大于0，那进程不就一直循环执行成为死循环了？

     二，Sem大于0那就表示有临界资源可供使用，为什么不唤醒进程？

     三，Sem小于0应该是说没有临界资源可供使用，为什么还要唤醒进程？

     析疑： 一，P操作对sem减1的。P、V原语必须成对使用！从而不会造成死循环。 二，Sem大于0的确表示有临界资源可供使用，而且这个时候没有进程被阻塞在这个资源上，也就是说没有进程因为得不到这类资源而阻塞，所以没有被阻塞的进程，自然不需要唤醒。 三，V原语操作的本质在于：一个进程使用完临界资源后，释放临界资源，使Sem加1，以通知其它的进程，这个时候如果Sem<0，表明有进程阻塞在该类资源上，因此要从阻塞队列里唤醒一个进程来“转手”该类资源。
比如，有2个某类资源，三个进程A、B、C、D要用该类资源，最开始Sem=2，当A进入，Sem=1，当B进入Sem=0,表明该类资源刚好用完， 当C进入时Sem=-1,表明有一个进程被阻塞了，D进入，Sem=-2。当A用完该类资源时，进行V操作，Sem=-1，释放该类资源，而这时Sem<0,表明有进程阻塞在该类资源上，于是唤醒一个。

     为了进一步加深理解，再引入二个问题： 四，如果是互斥信号量的话，应该设置信号量Sen=1，但是当有5个进程都访问的话，最后在该信号量的链表里会有4个在等待，也是说S=-4，那么第一个进程执行了V操作使S加1，释放了资源，下一个应该能够执行，但唤醒的这个进程在执行P操作时因S〈0
,也还是执行不了,这是怎么回事呢？ 五，Sem的绝对值表示等待的进程数，同时又表示临界资源，这到底是怎么回事？ 析疑： 四，当一个进程阻塞了的时候，它已经执行过了P操作，并卡在临界区那个地方。当唤醒它时就立即进入它自己的临界区，并不需要执行P操作了，当执行完了临界区的程序后，就执行V操作。 五，当信号量Sem小于0时,其绝对值表示系统中因请求该类资源而被阻塞的进程数目.S大于0时表示可用的临界资源数。注意在不同情况下所表达的含义不一样。当等于0时，表示刚好用完。