信号量的一些内容

信号量S是个整数变量，除了初始化以外，只能通过两个标准原子操作：wait()（P操作）和signal()（V操作）来访问。

wait()的定义：

wait(s) {
    while (S<=0)
        ;  //no-operation
    S--;
}

signal()的定义：

signal(S) {
    S++;
}

因为这两个是原子操作，因此对信号量整型值的修改必须不可分地执行。即当一个进程修改信号量时，不能有其他进程同时修改同一信号量的值。

1. 信号量用法

　　信号量通常分为计数信号量和二进制信号量。计数信号量的值域不受限制，为整数；二进制信号

信号量	别名	值域
计数信号量		所有整数
二进制信号量	互斥锁(mutex)	0和1

　　可以使用二进制信号量处理多进程的临界问题。设n个进程共享一个信号量mutex，并初始化为1。每个进程的结构：

do {
    wait(mutex);
        // 临界区(critical section)
    signal(mutex);
        // 剩余区(remainder section)
}while(TRUE);

　　计数信号量可以用来控制访问具有若干个实例的某种资源。该信号量初始化为可用资源的数量。当每个进程需要使用资源时，需要对该信号量执行wait()（P操作）操作，减少信号量的计数。当进程释放资源时，需要对该信号量执行signal()操作，增加信号量的计数。信号量的计数为0时意味着所有资源都被使用，之后所有需要使用资源的进程将会被阻塞，知道计数大于0。

　　也可以使用信号量解决同步问题。例如，有两个并发进程P1有语句S1，P2有语句S2,假设要求在S1执行完后才执行S2，令P1和P2共享一个共同信号量synch，将其初始化为0,

P1中插入语句：

S1;
signal(synch);

P2中插入语句：

wait(synch);
S2;

2. 实现

　　以上所定义的信号量也称为自旋锁。自旋锁通常用于多处理器系统中，这样一个线程在一个处理器自旋时，另一个线程可以在另一个处理器上在其临界区执行。

• 其优点是，进程在等待锁时不进行上下文切换（上下文切换可能需要花费相当长的时间），如果锁的占用时间短，那么自旋锁就有用了；
• 其缺点是，忙等待(busy waiting)。当一个进程位于其临界区内时，任何其他试图进入临界区的进程都必须在其进入代码中连续地循环。这种连续循环在实际多道程序系统中是个问题，因为这里只有一个处理器为多个进程所共享。忙等待浪费了CPU时钟，而这本可以有效地为其他进程所使用。

　　为了克服忙等，可以修改信号量操作wait()和signal()的定义。当一个进程执行wait()操作时， 发现信号量不为正(+)，则它必须等待。然而，该进程不是忙等而是阻塞自己，阻塞操作将一个进程放入到与信号量相关的等待队列中，并将该进程的状态切换成等待状态。接着，控制转到CPU调度程序，以选择另一个进程来执行。

　　一个被阻塞在等待信号量S上的进程， 可以在其他进程执行signal()操作之后被重新执行。该进程的重新执行使通过wakeup()操作来进行的，该操作将进程从等待状态切换到就绪状态。接着，该进程被放入到就待续队列中，CPU调度算法不同，CPU有可能会也可能不会从正在运行的进程切换到刚刚就绪的进程。

　　为了实现此种定义的信号量，信号量的定义如下：

typedef strucet {
  int value;
  struct process *list;
} semaphore;

　　每个信号量都有一个整型值和一个进程链表。 当一个进程必须等待信号量时，就加入到进程链表上。 操作signal() 慧聪等待进程链表中取一个进程以唤醒。

　　信号量操作wait()如下定义：

wait(semaphore *S) {
  S->value--;
  if (S-> value < 0) {
    add this process to S->list;
    block();
  }
}

　　信号量操作signal如下定义：

signal(semaphore *S) {
  S->value++;
  if (S->value <= 0) {
    remove a process P from S->list;
    wakeup(P);
   }
}

　　操作block()挂起调用它的进程。操作wakeup(P)重新启动阻塞进程P的执行。这两个操作都是由操作系统作为基本系统调用来提供的。

　　注意：在具有忙等的信号量的经典定义下， 信号量的值不可能为负。