學習日期：2024.7.9
內容摘要：信號量機制，用信號量實現進程的同步與互斥
信號量機制
信號量的概念
在上節內容中，我們學習了進程互斥的軟件和硬件解決方案，但這些方案都有各自的問題，雙標志法都因為檢查和上鎖兩個步驟不能一氣呵成，會導致兩個進程一起進入臨界區，而Peterson算法和幾個基于硬件實現方式的方法雖然解決了這些問題，但這些方法都會導致忙等。
1965年，荷蘭科學家Dijkstra（就是《數據結構》圖論那位）提出了一種實現進程同步、互斥的方法——信號量機制。
信號量其實就是一個變量（可以是一個整數，也可以是更復雜的數據結構的變量），可以用一個信號量來表示系統中某種資源的數量，比如系統只有一臺打印機，就可以設置一個初始值為1的信號量。
用戶進程可以通過操作系統提供的一對原語來對信號量進行操作，從而很方便的實現進程互斥和同步。
一對原語：wait（S）原語和signal（S）原語，信號量S是函數調用時傳入的一個參數，而wait和signal兩個原語常簡稱為P，V操作（來自荷蘭語proberen和verhogen），簡寫為P（S）和V（S）
整型信號量
用一個整數型的變量作為信號量，用來表示系統中某種資源的變量。
例：假如某系統中有一臺打印機，初始化整型信號量S，S=1。P操作是占用資源，S=S-1，V操作是釋放資源，S=S+1，每次調用之前先判斷S的值，如果S>=1，就P一次，否則等待。
邏輯很簡單，就是用S來計數，因為用了原語實現檢查和上鎖一氣呵成，避免了并發、異步導致的問題。
缺點：還是要利用while結果循環等待，不滿足“讓權等待”原則，沒有解決忙等問題。
記錄型信號量（重點）
整型信號量的缺陷是存在忙等問題，因此人們又提出了記錄型信號量，即用一種記錄型數據結構表示信號量
假如S=2，每次進行一次P操作，S.value--，每次執行一次V操作，S.value++，如果P操作后小于0，進程阻塞，且當S為負時，S.value的絕對值就是正在等待資源的進程的數目。
P操作中一定是先S.value--，之后如果S<0再block；V操作中一定是先S.value++，之后如果S.value<=0再wakeup。注意理解原因！
S.value的初始值表示系統中某種資源的數目，S.value++后<=0,說明有進程在等待資源，因此調用wakeup原語喚醒等待隊列中的第一個進程（被喚醒進程從阻塞態轉換為就緒態）。
S.value==0,資源恰好分配完，S.value==-x，有x個進程正在等待資源。
因為在資源不足時，進程會使用block原語自我阻塞，主動放棄處理機，所以遵循了讓權等待原則，不會出現忙等。
用信號量機制實現進程的同步與互斥
一個信號量對應一種資源，信號量的值=這種資源的剩余數量（信號量的值如果小于0，說明有進程在等待這個資源，絕對值即為等待的進程數）
信號量機制實現進程互斥
1.分析并發進程的關鍵活動，劃分臨界區
2.設置互斥信號量mutex，初始值為1，對不同的臨界資源要設置不同的互斥信號量
3.在進入區P(mutex)，申請資源
4.在退出區V(mutex)，釋放資源
注意：P，V操作必須要成對出現，申請資源和釋放資源一定會成對出現。
信號量機制實現進程同步
知識回顧：進程同步：讓各并發的進程按照某種我們期望的順序推進。
1.分析什么地方需要同步關系，即分析需要“一前一后”的兩個（或更多）操作
2.設置同步信號量S，初始值為0
3.在“前操作”之后執行V(S)
4.在“后操作”之前執行P(S)
比如說兩個進程A，B，我們希望A先執行，B后執行。此時S代表一個信號，即A已經完成的信號。在A執行完之后，釋放信號，在B執行之前，檢查信號。簡記為“前V后P，前后后前”
如果先執行到B，因為會先進行P(S)操作，此時S--后S=-1，表示此時沒有可用資源，因此P操作中會執行block原語，進程會進入阻塞隊列。當執行完A之后，S++，此時S>=0，就會在V操作中執行wakeup原語，喚醒B進程，這樣就實現了按我們期望的順序推進進程。
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內容總結自王道計算機考研《操作系統》 和 人民郵電出版社《操作系統導論》
