第二章 信号量机制

2.信号量机制
1） 整型信号量
1.信号量定义为一个整型量；
2.根据初始情况赋相应的值；
3.仅能通过两个原子操作来访问。
P操作 wait(S):
While S<=0 do no-op;
S:=S-1;
V操作 signal(S):
S:=S+1;

2）记录型信号量
1.整型信号量符合“有限等待”原则
signal释放资源后，当CPU被分配给等待进程后，等待进程仍可继续执行，可以符合“有限等待”。
但整型信号量不符合“让权等待”原则
2.整型信号量的wait操作，当s ≤0时，当前进程会占着CPU不断测试；
信号量原语不能被打断，这个占有CPU的进程会一直不断的占据CPU循环下去，陷入忙等。
3.改进：条件不符时应能够主动放弃CPU
4.新问题：放弃CPU的进程进入阻塞队列：因等待某信号量而放弃CPU的等待进程会有“若干”个，需将它们组织管理起来，并在合适的时候唤醒。

• 信号量结构信息发生变化：
  不仅要有值的处理，还有队列的处理。
  此时形成记录型数据结构，包括两部分：
  整型变量value(代表资源数目)
  进程链表L(链接所有等待进程)：
  代码描述：
  type Semaphore=record
  value：integer;
  L：list of PCB;
  end;
  操作：S.Value，S.L
  Value>0，表示当前可用资源的数量；
  Value≤0，其绝对值表示等待使用该资源的进程数，即在该信号量队列上排队的PCB的个数。
  
• P、V操作也有所变化
• 不仅修改资源数，还要处理进程的阻塞、唤醒等操作。先修改资源数，再
• P操作wait():
  S.value = S.value - 1;
  if S.value < 0 then block(S,L)
  V操作signal()：
  S.value = S.value + 1;
  if S.value <= 0 then wakeup(S,L)
  ps：定义信号量semaphore代表可用资源实体的数量。又叫信号灯。
  当≥0，代表可供并发进程使用的资源实体数
  当<0，表示正在等待使用该资源的进程数。
  建立一个信号量必须经过说明，包括
  信号量所代表的意义
  赋初值
  建立相应的数据结构，以便指向等待使用临界区的进程。
  除初值外，信号量的值仅能由标准原子操作P、V操作来改变。 PV操作是荷兰语通过和释放的意思。

3）信号量的基本应用
1.实现进程互斥
2.实现进程间的前趋关系（有序）

互斥信号量注意点：
1互斥信号量mutex初值为1；
2每个进程中将临界区代码置于P(mutex)和V(mutex)原语之间
3必须成对使用P和V原语（在同一进程中），不能次序错误、重复或遗漏：
遗漏P原语则不能保证互斥访问
遗漏V原语则不能在使用临界资源之后将其释放（给其他等待的进程）

实现有序
前趋关系:
并发执行的进程P1和P2中，分别有代码C1和C2，要求C1要在C2开始前完成；
为每对前趋关系设置一个同步信号量S12，并赋初值为0。则只有V操作所在进程获得cpu时能运行

控制同步顺序的注意点：
信号量值为0的点是限制的关键所在；
成对使用P和V原语（在有先后关系的两个进程中），不能次序错误、重复或遗漏，否则同步顺序出错。
练习：
1）如何利用互斥信号量解决上次课两个加法进程对共享变量操作的问题？
A： R1=x；
R1=R1+1；
x=R1
B： R2=x；
R2=R2+1；
x=R2

Var mutex: semaphore :=1;
x: integer;
process A: begin
repeat
P(mutex);
R1=x;
R1=R1+1;
x=R1;
V(mutex);
until false;

2）民航售票系统问题

n个售票处。每个售票处通过终端访问系统的公用数据区
假定公用数据区中分别用Ri表示某时间i次航班的现存票数。
Pi表示某售票处的处理进程，试用信号量实现进程间的互斥关系。
Var s: semaphore :=1;
begin
parbegin
process Pi: begin
repeat
P(s);
按旅客定票要求找到Ri
IF Ri >=1 then
Ri = Ri -1;
输出一张票；
End if
V(s);
输出“票已售完”；
until false;
end
parend
end
3）用信号量实现司机和售票员的同步。

4）AND型信号量
出现原因：一些应用往往需要两个或多个共享资源，而不是前述的一个资源。进程同时要求的共享资源越多，发生死锁可能性越大。

解决思想：
一次性分配给进程所需资源，用完一起释放。Wait操作时对它所有需要的资源都要判断，有AND条件，故称“AND同步”、“同时wait”。

5）信号量集
引入原因：
每次只能获得或释放一个单位的资源，低效；
某些时候资源分配有下限的限制；
修改：在大于可分配设置的下界值t前提下，每次可分配d个。

信号量集的一个特例：
只有一个信号量S的几种特殊情况：
Swait(S, d, d)，，允许每次申请d个资源，若现有资源数少于d，不予分配。
Swait(S, 1, 1)，蜕化为一般的记录型信号量，一次申请一个，至多分配一个(S>1时可计数，或S=1时可控制互斥)。
Swait(S, 1, 0)，当S>=1时，允许多个进程进入某特定区，当S变为0后，阻止任何进程进入特定区，相当于可控开关。并不对S资源的数量产生影响。

信号量题目做题一般方法：
分析问题，找出同步、互斥关系
根据资源设置信号量变量
写出代码过程，并注意P、V操作的位置
检查代码，模拟机器运行，体验信号量的变化和程序运行过程是否正确。