第三章： 进程同步机制

第三章： 进程同步机制

3.1 信号量和P、V操作

信号量：表示资源使用情况的一种数据结构

struct{
	int n; //正数表示当前可用的资源个数，负数表示等待该种资源的进程个数
	PCB* pcbList; //等待该种资源的进程(PCB)列表
}

信号量的值仅由P、V操作来改变

原语：机器指令的延生，往往是为完成某些特定功能而编制的一段系统程序，其操作具有不可分割性（一次性完成）

P操作P(S)：也叫wait操作，S为相应的信号量

S = S - 1;
if (S < 0)
{
    //资源不足，得不到分配的情况
    将本进程链入 S 的队尾；
    阻塞本进程；
}
else
{
    本进程继续执行；
}

V操作V(S): 也叫signal操作

S = S + 1;
if (S > 0)
{
    //说明目前没有进场在等待该资源
    本进程继续执行；
}
else
{
    //说明有进程在等待该资源
    释放S队列上的第一个PCB；
    本进程继续执行；
}

3.2 同步机制的应用

使用PV操作实现进程互斥

• 在每个进程中，P(mutex)和V（mutex）必须成对出现，并且先P后V
• 互斥信号量mutex的初值一般为1

使用PV操作实现简单同步

例如 ： 供者和用者共同使用缓冲区的问题

分析和解答：供者和用者两个需要合作来完成，它们之间的桥梁是缓冲区，它们之间的动作需要按照一定的先后顺序才能顺利进行，它们之间的关系是同步。临界资源是缓冲区，因为供者在向缓冲区写入数据的时候，用者不能从缓冲区读数据，同样，在缓冲区数据写满后，用者开始读缓冲区数据，这时供者不能往缓冲区里写数据，直到用者从缓冲区中取完数据。缓冲区有两个临界状态，一是空了，一是满了。使用两个信号量来表示，E表示空了的状态，F表示满了的状态，初始状态下缓冲区是空着的，所以E = 1, F = 0。对于供者，先用P操作获得空着的缓冲区，在写满数据之后，再用V操作释放一个满了的缓冲区的信号量；而用者则使用P操作获得写满的缓冲区，在取完数据之后，再用V操作释放清空的缓冲区的信号量。 所以供者的程序如下：
P(E);
写数据到缓冲区;
V(F);
用者的程序如下：
P(F);
将缓冲区中的数据全部取走;
V(E);

不难理解为什么P操作又叫wait操作，而V操作又叫signal操作。因为P操作会确保获得满足信号量要求的临界资源，如果暂时没有，会等待直到其他进程释放出该临界资源并得到后再继续执行；V操作会释放出一种临界资源，发出一个信号，如果有其他进程在等待该资源，会将该资源交给队列最前面的那个进程。

这里有个比较容易混淆的问题：既然临界资源只有缓冲区一种，为什么使用两个信号量E和F？回顾一下什么是信号量,信号量并不代表临界资源，而是临界资源的状态，既然临界资源有两种状态空着和满了，就可以用两个信号量来表示。另外初始值E = 1表示有一个空着的缓冲区，而不是表示缓冲区是空着的，F = 0 表示没有满了的缓冲区，而不是表示缓冲区没有满（或者是空着的）。

使用PV操作的说明：

• 确定彼此关系和信号量种类
• 设定信号量初值
• 同一信号量的PV操作要成对出现，只是互斥的PV操作在同一进程中成对出现，而同步的PV操作在不同进程中成对出现。

同步互斥的经典例子：生产者和消费者

生产者和消费者的问题和上面提到的供着和用者的例子类似，只是供着和用者只有一个缓冲区，而生产者和消费者有N个缓冲区，构成缓冲池。当N=1时候，本问题就成为了供者和用者的问题，可见，供者和用者的问题只是本问题的一个特例而已。

1、消费者只有在生产者生产出产品之后才能消费（缓冲池中有满的缓冲区时才可以让消费者从缓冲区取走产品消费）
2、生产者在缓冲池满了以后要暂停生产，直到有空的缓冲区出现
3、为避免混乱，生产者和消费者互斥使用缓冲池

上面的1、2点讲的就是供者和用者中提到的同步问题，第3点讲的是互斥问题。

同步问题同样设E和F两个信号量，E表示缓冲池中空缓冲区的数目，初始状态下E = 0; F表示缓冲池中满了的缓冲区的个数，初始状态下F = N。另外增加缓冲池的互斥信号量M， 初始状态下M = 1(表示只用一个缓冲池可供使用）

对于生产者，他要做的事情是：1、等待获得空缓冲区；2、等待获得缓冲池的使用权；3、往空缓冲区中放入产品；4、释放缓冲池使用权（通知缓冲池可以使用了）；5、通知新增一个满的缓冲区（一个新产品）

对于消费者，他要做的事情是：1、等待获得满的缓冲区；2、等待获得缓冲池的使用权；3、从满的缓冲区中取走产品；4、释放缓冲池使用权（通知缓冲池可以使用了）；5、通知新增一个空的缓冲区

生产者和消费者都要做5步动作，其中他们的第4步和第5步都是可以互换的，但是其他步骤是不能改变顺序的，尤其是第一步和第二步。如果第一步和第二步颠倒，很可能发生锁住的问题（死锁），导致生产者和消费者都不能往下进行。举个例子：假如消费者先获得了缓冲池的使用权，然后等待获得满的缓冲区，不过当时没有满的缓冲区，它就在一直占用缓冲池的情况下处于等待状态；而生产者因为得不到缓冲池的使用权，也无法让缓冲区变慢，这样消费者也就永远无法获得满的缓冲区（产品），于是生产者和消费者谁也干不了活了。不过有个原则是：互斥信号量的PV操作要成对出现在临界区的前后，所以第4步和第5步最好不要颠倒，既便于记忆，又避免出错。

上面的步骤中凡是使用了”等待获得“来描述的，都是P操作，要获得的东西是P操作的信号量；凡是用到了”释放“或”通知“的步骤都是V操作，释放或通知的东西就是V操作的信号量。

注意：

• P(mutex)和V(mutex)分别出现在临界区的前后
• 各信号量的P、V操作都要成对出现
• 两个P操作的顺序不能颠倒

文章来自: Shosh原创
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