課程引入：進程同步與信號量

接下來這節課開始，我們再開始講多進程圖像。講多進程圖像的下一個點，前面我們講清楚了多進程圖像要想實現切換，調度是如何做的。同時，多個進程放在內存中，就會存在多進程合作的情況，而這種合作應該是合理有序的，這部分內容就是進程同步——讓多進程之間的合作變得合理有序。那么怎么來實現這種合理有序呢？就要靠信號量。這堂課我們要講清楚為什么會有信號量，以及如何依靠信號量來實現多個進程推進的合理有序，即同步。

現實案例：進程合作與同步的重要性

首先從一個例子看起，在現實社會中，司機和售貨員就如同兩個進程，司機的動作是啟動車、運行、到站停車，售貨員的動作是關門、售票、開門 ，他們各自有一套執行流程。這兩個進程在同一臺車上，為完成車輛的合理有序行駛，必須進行合作。

• 不合作的后果：如果二者執行順序沒有約束，比如售票員開門售票時，司機啟動車輛，就會造成嚴重后果。所以，司機啟動車輛不能隨意進行，需要等待一個信號，比如售票員賣完票告知可以走了；同樣，售票員開門也不是隨便進行的，要等車輛到站停車的信號。
• 合作與同步的體現：司機等待售票員關門的信號再啟動車輛，售票員在車輛到站后得到停車信號才開門，這就體現了進程間的合作。一個進程等待信號，另一個進程在合適的時候發送信號，從而使多個進程按照一定順序向前推進，這就是同步。每個進程有自己的執行程序，但不是每條程序都能隨便執行，有時需要停下來等待信號，當收到信號后再繼續執行，這就是多進程合理有序的合作與同步。

技術案例：生產者 - 消費者模型中的同步問題

接下來以生產者 - 消費者模型為例進一步說明。有一個共享緩沖區，生產者不斷向里放內容，每放完一個 counter 加一；消費者不斷從里取內容，每取出一個 counter 減一 ，這是典型的多進程合作場景。

• 同步需求：在這個模型中，也需要合理有序的推進。當生產者發現 counter 等于緩沖區大小 buff size ，即緩沖區滿了，就不能繼續放入，必須等待；同理，當緩沖區為空時，消費者也應該停止。
  所以，進程同步的關鍵在于分析進程在哪些地方該停、什么時候該走。在生產者 - 消費者模型中，緩沖區滿時生產者停，消費者消費后產生空閑緩沖區，就給生產者發信號讓其繼續；緩沖區空時消費者停，生產者生產后給消費者發信號。

• 信號的局限性：僅依靠信號存在問題。例如，當緩沖區滿時，生產者 p1 嘗試放入會因 counter 等于 buff size 而 sleep ，之后另一個生產者 p2 進來，同樣會 sleep 。此時若消費者執行一次循環，取出一個內容， counter 變為 buff size - 1 ，消費者判斷緩沖區未滿，認為無人等待緩沖區，不會再發信號喚醒 p2 ，導致 p2 永遠無法喚醒。這說明單純依靠 counter 進行語義判斷不足，不僅需要知道緩沖區中空閑個數，還需知道有多少進程在睡眠等待。

信號量的引入與原理

為解決上述問題，引入信號量。信號量是一個整數，它能記錄更多信息。例如信號量等于 -2 ，表示有兩個進程在等待 。當消費者執行時，發現信號量為 -2 ，就會喚醒阻塞隊列頭部的進程（如 p1 ），同時信號量變為 -1 ；再次執行，喚醒 p2 ，信號量變為 0 。

• 信號量的語義：信號量為負數時，表示有進程阻塞，其絕對值代表等待進程的數量；為 0 時，表示沒有進程等待，但也沒有可用資源；為正數時，表示有可用資源，數值代表資源數量 。如消費者執行使信號量變為 1 ，表示還有一個空閑緩沖區，此時若有新的生產者 p3 來，無需睡眠可直接執行，執行后信號量變為 0 ；再有生產者來，信號量變為 -1 ，該生產者需阻塞等待。
• 基于信號量的進程決策：進程根據信號量的值決定是否等待或喚醒其他進程。生產者申請使用資源（如空閑緩沖區）時，若信號量為負或零，說明資源不足或已用完，需等待；消費者釋放資源（產生空閑緩沖區）時，若信號量為負，說明有進程在等待，需喚醒一個等待進程。

信號量與資源等待的關系

我們可以根據這個習題來回答，對于一種數量為八的資源，思考進程等待的原因。進程等待肯定是因為申請資源時沒有可用資源了。在進程同步中，競爭合作體現為走走停停，而“停滯”是其中的核心，所以明確進程何時等待至關重要。當一個進程訪問資源卻發現沒有資源時，就會進入等待狀態。

這種資源對應的信號量初值應該設為八，這表示初始狀態下可以使用八個該資源。當信號量的值變為零時，意味著沒有資源剩余，若值再變為負數，進程就需要等待。當信號量的值為二時，說明還有兩個資源可供使用，此時沒有進程在等待該資源；而當信號量的值為 -2 時，則表示有兩個進程正在等待該資源 。

通過信號量的值，我們能夠判斷系統中有多少進程在等待資源，以及還有多少資源可供使用。基于這樣的判斷，我們可以控制進程的執行與暫停，從而實現進程同步，其核心就在于依據信號量的值來判斷進程何時該“走”、何時該“停”。

信號量的核心概念與操作

1. 信號量的定義與作用
   進程之間的同步是多個進程走走停停的合理有序推進，判斷何時停要看信號量的值。當信號量為負值或 0 時，進程申請信號量會變成負值，此時進程等待；其他進程根據信號量的值，若為負，在釋放信號量時進行喚醒操作；若為正，直接累加，無需發信號。

2. 信號量的實現方式
   在編程實現中，判斷進程是否需要等待資源是通過調用函數來完成的，這就涉及到信號量的具體實現。信號量的核心是一個整數，它記錄著資源的相關信息。為了方便用戶操作，我們通過定義 P、V 操作這兩個接口函數來實現對信號量的控制。

   • P 操作：當進程想要申請資源，判斷自己是否應該暫停時，就調用 P 操作。以 P(sem) 為例，執行該操作時，首先將信號量 sem 的值減 1。這是因為進程申請資源，相當于資源數量減少。如果減 1 后信號量的值小于 0，說明在本次申請之前，資源要么已經沒有剩余（值為 0），要么已經處于供不應求的狀態（值為負），當前進程無法獲得資源，此時進程就會進入睡眠狀態，并被放入與該信號量相關聯的阻塞隊列中。例如，生產者進程每次使用空閑緩沖區時，就需要對空閑緩沖區對應的信號量執行 P 操作，以此判斷是否有空閑緩沖區可供使用，如果沒有則進入等待。
   • V 操作：有進程等待，就需要有喚醒操作，這就是 V 操作的作用。當進程釋放資源時，會調用 V 操作。執行 V 操作時，將信號量的值加 1 ，這表示資源數量增加。如果加 1 后信號量的值仍然小于等于 0，說明在釋放資源之前，有進程在等待該資源（信號量為負表示等待進程數，為 0 表示剛有進程等到資源），此時就需要調用 wake up 函數，從阻塞隊列中喚醒一個進程；如果加 1 后信號量的值大于 0 ，則表示沒有進程在睡眠等待，無需進行喚醒操作。比如消費者進程產生空閑緩沖區后，就會對相應的信號量執行 V 操作。
   • 系統調用：由于信號量操作涉及到進程睡眠等在內核態完成的操作，所以 P 和 V 操作需要做成系統調用，這樣上層應用程序就能通過調用系統調用來使用信號量。其中，P 操作源于荷蘭語“test”，表示測試是否需要阻塞；V 操作源于荷蘭語“increment”，表示增加資源數量，進而實現喚醒等待進程的功能 。

信號量解決生產者 - 消費者問題

利用信號量及其 P、V 操作，可以有效解決生產者 - 消費者問題，實現進程間的同步與合作。在解決該問題時，關鍵在于分析生產者和消費者何時會暫停，并據此定義相應的信號量。

1. 分析生產者與消費者的等待條件
   • 生產者：當緩沖區滿時會停，所以定義一個信號量 empty 表示空閑緩沖區個數，初值為 buff_size 。生產者每次操作前先執行 P(empty) ，測試 empty 是否為 0 ，即緩沖區是否滿，若滿則等待。當消費者釋放空閑緩沖區時，執行 V(empty) 增加 empty 的值 。
   • 消費者：當緩沖區沒有內容時會停，定義一個信號量 full 表示已生產內容的個數，初值為 0 。消費者每次操作前先執行 P(full) ，測試 full 是否為 0 ，即是否有內容，若無則等待。當生產者生產內容后，執行 V(full) 增加 full 的值 。
2. 互斥信號量實現共享資源互斥訪問
   共享緩沖區（可視為文件）的操作需要互斥，即同一時刻只能有一個進程訪問。定義一個互斥信號量 mutex ，初值為 1 。生產者和消費者在訪問共享緩沖區前，先執行 P(mutex) ，若 mutex 等于 1 ，則變為 0 ，進程進入；訪問結束后執行 V(mutex) 釋放資源，使其他進程可以進入 。

通過上述信號量的設置以及 P、V 操作的合理運用，依據信號量數值所代表的語義，準確判斷進程是否需要睡眠或喚醒其他進程，從而實現了生產者和消費者之間執行過程的合理有序，最終解決了進程同步問題，實現了二者的合作 。