信号量（生产者和消费者模型）

信号量和管程都是操作系统用于同步提供的两种方法，我们将结合生产者与消费者模型对此进行学习。

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什么是信号量？

为了提高系统的并发性，我们引入了多进程，多线程，但是这样子带来了资源竞争，也就是多个程序同时访问一个共享资源而引发的一系列问题，因此我们需要协调多线程对与共享资源的访问，在任意时刻保证只能有一个线程执行临界区代码。为了实现同步，我们可以利用底层硬件支持，也可以利用高层次的编程抽象，信号量和管程属于后者，是高层次的一种抽象，如下图：

信号量的定义：

信号量（semaphore）是一种抽象数据类型，它是由一个（sem）整型变量（用于表示资源数目）和两个原子操作P，V组成。
这两个操作分别是：

P操作：在申请资源时候使用，将sem减1，如果sem小于0，就进入等待，否则直接使用资源即可，注意P操作有可能因为没有资源进入阻塞

V操作：在释放资源时候使用，将sem加1，如果sem依旧小于等于0，说明之前有进程在等待使用这个资源，因此需要唤醒一个等待进程

信号量的实现：

由定义，我们给出信号量的伪代码实现：

class Semaphore
{
    //sem只能由P，V进行原子操作
    int sem;
    WaitQueue q;
    P()
    {
        sem--;
        if (sem < 0) //说明没有资源
        {
            //将线程t放入等待队列q中
            //阻塞
        }
    }
    Q()
    {
        sem++;
        if (sem <= 0)//说明有其他线程在等待使用该资源
        {
            //从等待队列中移除线程
            //唤醒
        }
    }
}

信号量的分类和使用：

信号量可分为两种：

二进制信号量：资源数目0或者1
资源信号量：资源数目为任意非负值
这两者等价，基于一个可以实现另一个

信号量一般用于两种情况：

互斥访问：临界区的互斥访问控制

我们看一个例子，假设有一个共享资源，进程P0，P1对它进行操作，我们希望P0，P1都是互斥访问这个共享资源，那么我们该如何用信号量实现临界区的互斥访问？

我们为此资源设置一个信号量，初值为1，mutx = New Semaphore(1)

mutex->P();
Critical Section;//临界区操作
mutex->V();

由于P0，P1访问顺序的不确定性，我们不妨让P0先访问（P1同理），P0执行mutex->P()，将资源mutex数目由1减为0（这一步是原子操作不可打断）

此时，如果P1不行进行访问，那么P0会顺利执行临界区操作，如果P1进行访问，那么由于P0已经执行了对应的P操作让sem=0，P1自己在执行P操作过程中，sem减1等于-1，那么P1进程会阻塞自己，进入等待队列。

直到P0访问完临界区，执行V操作，将mutex加1等于0，去唤醒P1进程，P1才会去访问共享资源。

通过这样的一种机制，完成了对于临界区的互斥访问。

条件同步：线程之间的时间等待

同样的，我们举例说明，有两个进程A，B，他们会执行各自的指令

其中，线程A必须等线程B中X指令执行完才可以执行N指令，比如说X是接受数据，N是处理数据这样的操作等。。。

为了实现这样的同步机制，我们条件设置一个信号量，其初值为0

condition = New Semaphore(0)

由于A，B的执行次序不定，我们分类讨论。

1. B先执行：B执行到V操作时候，将condition从0加为1，此时如果切换到A执行，那么A执行到P操作，发现condition-1为0，可以继续执行N指令
2. A先执行：A执行到P操作时候，将condition从0减为-1，由于condition<0，则A会阻塞自己，接下来B执行到V操作，将condition从-1加到0，此时B知道有进程在等待资源，因此它去唤醒A，A因此执行了N指令

通过这样的机制完成同步等待。

生产者和消费者模型

在上述图片中，将mutex信号量用于完成互斥访问，full，empty则用于完成问题分析中两个条件同步，因此我们将一个实际问题转化为信号量可以解决的问题。

如上图，我们在类中定义了三个信号量用于完成互斥，同步操作，初始时候，mutex表示资源为1，full表示当前满缓冲区的个数为0，empty表示当前buffer都为空，（我们设定缓冲取的大小为n，因此full+empty == n）

首先必须保证互斥操作，也就是任意时刻只有一个线程能操作缓冲区，要么是生产者，要么是消费者，因此我们在Deposit（生产者），Remove（消费者）中分别进行了PV操作。（具体过程和上面互斥访问一致，不清楚可以往前翻看）

下面我们要来处理缓冲区满或者空时，条件同步是如何实现的？

对于生产者，如果缓冲区满，则必须阻塞自己，只有等消费者消费了，缓冲区还有空缓冲区才能够继续生产，因此，我们需要同时改写Deposit（c）和Remove（c）的代码：

Deposit(c)
{
    empty->P();//检查是否还有空缓冲区

    mutex->P();
    Add c;
    mutex->V();
}

Remove(c)
{
    mutex->P();
    Remove c;
    mutex->V();

    empty->V();//消费者读取一个数据，释放一个空缓冲区资源
}

同理对于消费者，如果缓冲区为空，则必须阻塞自己，只有等生产者生产了，缓冲区还有东西才能够继续消费，因此，我们也需要同时改写Deposit（c）和Remove（c）的代码：

Deposit(c)
{
    empty->P();//检查是否还有空缓冲区

    mutex->P();
    Add c;
    mutex->V();

    full->V();//生产者生成了数据，需要将满缓冲区个数加1
}

Remove(c)
{
    full->P();//检查缓冲区里面是否还有东西，若缓冲区为空，则阻塞自己

    mutex->P();
    Remove c;
    mutex->V();

    empty->V();//消费者读取一个数据，释放一个空缓冲区资源
}