操作系统的信号量详解

信号量的定义

信号量，也叫信号灯，是荷兰的计算机科学家发明，用来解决并发中的互斥和同步的问题，一般操作系统都实现了信号量，并提供了简单的调用方式。

信号量控制的是线程，即最小调度单元。

信号量有三个操作：

• 初始化一个信号量（非负整数），
• P操作，也叫 Wait，获取资源。
• V操作，也叫 Signal，释放资源。

信号量的实现过程

struct semaphore {
	int count;
	queueType queue;
}

void acquire(semaphore s) {
	s.count--;
	if (s.count < 0) {
		put this process in s.queue;
		block this process;
	}
}

void release(semaphore s) {
	s.count++;
	if (s.count <= 0) {
		remove a process P from s.queue;
		put process P in ready list;
	}
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20

过程

• 初始化：首先我们要初始化一个 semaphore 对象，设置 count 的值。
• P操作：调用 acquire 获取资源，先将 count减1，如果小于0，说明资源不够了，这个线程会被加入到此信号量对应的等待队列中，同时此线程被阻塞，让出CPU。
• V操作：调用 release 释放资源，先将 count加1，如果小于等于0 ，说明队列中还有线程待唤起，此时会以FIFO的方式拿出一个线程，并放到就绪队列，此线程就被唤醒了。V操作不会阻塞。

P和V都是由操作系统和硬件来保证的原子操作，且不会被中断。

最开始只有二元信号量（二进制信号量），即0和1，是为了解决互斥的问题。后来扩展到多值信号量，或计数信号量，可以用来解决同步的问题。

互斥的实现

从上面的代码中，我们可以得出，如果将count初始值设置为1，那么只有一个线程可以得到资源，且只有等它释放了资源，其他线程才能得到资源，这就实现了互斥的效果。

同步的实现

如果将count初始值设置为0，并伴有如下过程。

1. 线程A执行P操作，此时 s == -1，会被阻塞。
2. 线程B执行V操作，此时 s == 0，线程A被唤醒。
3. 可见线程A要等到线程B执行完毕才会被执行，这就是同步。

计数信号量

当然，count可以被设置为更大的值，比如100，于是就有了带有缓冲区的生产者消费者模型。

生产者 --> buffer --> 消费者

1. 其中生产者和消费者都可以是多个。
2. 在任何时刻只有一个生产者或消费者可以访问缓冲区。
3. 当缓冲区满了之后，所有的生产者都要等待。
4. 当缓冲区为空时，所有的消费者都要等待。

针对这些需求，我们可以设置三个信号量。

class BoundedBuffer {
	// 互斥锁，解决问题2
	mutex = new semaphore(1); 
	
	// 计数器，初始值为0，用以判断缓冲区是否为空，为0就是空了
	consumeMutex = new semaphore(0); 
	
	// 计数器，初始值为n，用以判断缓冲区是否满了，为0就是满了
	produceMutex = new semaphore(n); 
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

然后使用伪代码来表示这个过程。

function Produce(t) {
	produceMutex->P();
	
	mutex->P();
	add t task to buffer
	mutex->V();
	
	consumeMutex->V();
}

function Consume() {
	consumeMutex->P();

	mutex->P();
	remove t task to buffer
	mutex->V();
	
	produceMutex->V();
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19