清华大学操作系统OS学习（十二）——信号量与管程

一、信号量

 

1、信号量（semaphore）：是操作系统提供的一种协调共享资源访问的方法

①信号是一种抽象数据结构

一个整型int（sem），可进行两个原子操作

P() sem–，如果sem<0，等待，否则继续，类似lock_acquire 

V() sem++，如果sem<=0，说明当前有等着的，唤醒挂在信号量上的进程，可以是一个，可以是多个

②信号量的特性

信号量是被保护的整数变量。初始化完成后，只能通过P()V()操作修改；由操作系统保证，PV操作时原子操作。

P()可能阻塞，V()不会阻塞

2、信号量的实现

 

 

二、信号量使用

1、信号量分两种类型： 

①二进制信号量：约等于锁，取值0 or 1 

②资源信号量：资源数目任何非负值 

可以用在两个方面，互斥或者条件同步（调度约束—–一个线程等待另一个线程的事情发生）

③用二进制信号量实现锁的互斥

mutex= new semaphore(0)  //设置一个信号量初值为0
mutex->P();
…Critical section…
mutex->V();

④必须成对使用P()和V()操作

P()操作保证互斥访问临界资源

V()操作在使用后释放临界资源

P()V()操作不能次序错误、重复或遗漏

2、信号量实现

class Semaphore{
int sem;
Waitqueue q;}
//P()操作
Semaphore::P(){
sem--;
if(sem<0){Add this thread t to q;   block(p);}
}
//V()操作
Semaphore::V(){
Sem++;
If(sem<=0){
Remove a thread t from q;   wakeup(t);}
}

存在问题：

• 信号量的双用途，互斥和条件同步，等待条件是独立的互斥。和LOCK有区别，LOCK是通过忙等/等待队列实现sleep，信号量是等待队列。
• 开发容易犯错，比较困难
• 不能够处理死锁

3、生产者—消费者问题

生产者——>缓冲区——>消费者

①问题描述：一个或多个生产者在生成数据后放在一个缓冲区里；单个消费者从缓冲区取出数据处理；任何时刻只能有一个生产者或消费者可访问缓冲区

②问题分析：任何时刻只能有一个线程操作缓冲区（互斥访问）；缓冲区空时，消费者必须等待生产者（条件同步）；缓冲区满时，生产者必须等待消费者（条件同步）

③信号量描述各个约束

二进制信号量mutex

资源信号量fullBuffers

资源信号量emptyBuffers

 

Ⅰ、初始化：

Class BoundedBuffer{
Mutex = new semaphore(1);
fullBuffers = new semaphore(0);
emptyBuffers = new semaphore(n); //当前生产者可以往里面放多少个数据
}

Ⅱ、如果Buffer不空，则full/empty设别的值

BoundedBuffer::Deposit(c){
emptyBuffer->P();           //n个生产者都可以进入直到empty<0被阻塞，不能先锁再emptybuffer--, 不然会在Buffers满的时候死锁
mutex->P(); 
Add c to the buffer;
 mutex->V();
fullBuffers->V();               //初始是0，只有先V()不然消费者不能取}

BoundedBuffer::Remove(c){ 
fullBuffers->P();           //  初始是0时会被挂起
mutex->P();
Remove c from buffer; 
mutex->V();
emptyBuffers->V();
}
//P&V可以换顺序吗？可以。

三、管程

1、管程monitor

①、定义：包含了一系列的共享变量，以及针对这些变量的操作的函数的组合/模块 包含了：一个锁，指定临界区，确保互斥性；0或者多个条件变量，根据条件的个数决定，等待/通知信号量，并发访问共享数据 

②、条件变量（condition variab）

Ⅰ、条件变量是管程内的等待机制：进入管程的线程因资源被占用而进入等待状态；每个条件变量表示一种等待原因，对应一个等待队列；

Ⅱ、wait() 操作：将自己阻塞在等待队列中，唤醒一个等待者或释放管程的互斥访问；

Ⅲ、signal()操作：将自己队列中的一个线程唤醒；如果等待队列为空，则等同空操作；

↑ schedule选择下一个process区执行

调用管程解决消费者生产者问题 

count记录了当前BUFFER的数据个数 

先在前后加锁，因为要保证只有一个线程在临界区 lock在等待/睡眠的时候通过；lock->Acquire()管程进入和lock->Release()管程释放；notfull.wait(&lock)释放锁。唤醒后获得锁。

2、管程条件变量的释放处理方式