進程同步之信號量機制

信號量機制

信號量機制是一種用于進程同步和互斥的基本工具，特別是在并發編程中，廣泛用于控制對共享資源的訪問，避免數據競爭和死鎖等問題。信號量機制由荷蘭計算機科學家Edsger Dijkstra在1965年提出，并在操作系統的進程同步中發揮了重要作用。經歷了整型信號量、 記錄型信號量、AND型信號量和信號量集。

1）整型信號量

Dijkstra最初提出的信號量為表示臨界資源的一個整型量S。S>0時表示有S個資源可用；S<=0表示該資源已被分配完。另外，定義了兩個原語wait(S)和signal(S)用于資源的分配和釋放，這兩個原語的C語言偽代碼如下：

?wait(int &S){while (S<=0);S=S-1;}?signal(int &S){S=S+1;}

wait原語(也叫作P操作)首先通過while循環測試是否S<=0,如果是則繼續等待，否則將S的值減1，資源分配成功，可以進入臨界區訪問。 signal原語(也叫做V操作)只有一條語句，即將S值加1，表示釋放1個資源。

示例：使用整型信號量進行互斥控制

// 信號量 S，初始化為1，表示有1個資源
int S = 1;// wait原語（P操作）
void wait(int *S) {while (*S <= 0);  *S = *S - 1; 
}// signal原語（V操作）
void signal(int *S) {*S = *S + 1; 
}// 臨界區函數
void *p1(void *p) {wait(&S); printf("線程1進入臨界區\n");signal(&S);  return NULL;
}void *p2(void *p) {wait(&S); printf("線程2進入臨界區\n");signal(&S); return NULL;
}

解釋：

信號量 S：它是一個整型變量，表示可用的資源數量，初始化為1，表示有一個資源可以分配。

wait 操作（P操作）： wait操作會檢查信號量S的值。如果 S小于等于0，表示資源不可用，當前線程將進入等待狀態。如果 S 大于0，表示有資源可用，信號量 S會減1，表示資源已被分配給當前線程，線程可以訪問共享資源。

signal操作（V操作）： signal操作會釋放一個資源，信號量 S增加1。如果有等待的線程，它們會根據信號量的值重新獲得資源。

線程 p1和 p2： 這兩個線程都訪問共享資源，每個線程在進入臨界區前都調用 wait(S)請求資源，執行完任務后調用 signal(S) 釋放資源。 由于信號量的控制，線程 p1和 p2 會互斥地訪問共享資源。

2.）記錄型信號量

為了解決整型信號量中的“忙等”問題，即當沒有資源可用時，進程不斷等待而不釋放CPU，可以采用記錄型信號量（semaphore）。在這種信號量機制中，我們引入了阻塞進程隊列來管理等待資源的進程。記錄型信號量由一個結構體組成，包含兩個成員：整型變量value和進程阻塞隊列L。value表示當前可用的資源數量，當value > 0時，表示有可用資源；當value < 0時，value的絕對值表示正在等待資源的進程數量。

此外，L是一個進程隊列，包含那些因無法獲取資源而被阻塞的進程。當資源可用時，這些被阻塞的進程可以被喚醒，繼續執行。因此，記錄型信號量通過引入阻塞隊列來避免了“忙等”，實現了進程的高效調度。

偽代碼如下：

typedef struct{int value;struct process_control_block *L
}semaphore;
//value>O時，value為資源可用數目
//value<O,|value|為已阻塞進程的數目
//L為阻塞進程隊列首指針wait(int &S){S.value = S.value -1;if (S.value<0) block(S.L);
}
//阻塞到隊尾，
//程序計數器定位在Wait之后signal(int &S){S.value = S.value+1;if(S.value<=0) wake(S.L);//喚醒隊首
}

示例：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>typedef struct process_control_block {pthread_t thread;  // 阻塞進程的線程IDstruct process_control_block *next;  // 指向下一個進程
} PCB;typedef struct {int value;  // 信號量的值，表示資源的數量PCB *L;     // 阻塞進程隊列的頭指針
} semaphore;semaphore S = {1, NULL};  // 初始化信號量，資源數量為1// 模擬進程被阻塞
void block(PCB *L) {PCB *new_pcb = (PCB *)malloc(sizeof(PCB));new_pcb->thread = pthread_self();  // 獲取當前進程的線程IDnew_pcb->next = NULL;// 將新進程加入到阻塞隊列的尾部if (L == NULL) {L = new_pcb;} else {PCB *temp = L;while (temp->next != NULL) {temp = temp->next;}temp->next = new_pcb;}// 阻塞進程的代碼邏輯printf("進程 %lu 被阻塞。\n", pthread_self());pthread_exit(NULL);  // 當前線程掛起
}// 模擬進程被喚醒
void wake(PCB *L) {if (L != NULL) {PCB *temp = L;L = L->next;  // 喚醒隊列中的第一個進程printf("進程 %lu 被喚醒。\n", temp->thread);free(temp);  // 釋放喚醒的進程}
}// wait原語
void wait(semaphore *S) {S->value = S->value - 1;  // 請求資源，信號量值減1if (S->value < 0) {block(S->L);  // 資源不足，進程被阻塞}
}// signal原語
void signal(semaphore *S) {S->value = S->value + 1;  // 釋放資源，信號量值加1if (S->value <= 0) {wake(S->L);  // 喚醒阻塞隊列中的一個進程}
}// 線程函數
void *process(void *param) {printf("進程 %lu 正在嘗試進入臨界區。\n", pthread_self());wait(&S);  // 請求資源printf("進程 %lu 已進入臨界區。\n", pthread_self());signal(&S);  // 釋放資源return NULL;
}int main() {pthread_t t1, t2;// 創建兩個線程pthread_create(&t1, NULL, process, NULL);pthread_create(&t2, NULL, process, NULL);// 等待線程結束pthread_join(t1, NULL);pthread_join(t2, NULL);return 0;
}
3）AND型信號量

記錄型信號量一次只能申請一種資源，而當一個進程需要同時獲取多種臨界資源時，若資源申請順序不當，很容易導致死鎖的發生。為了解決這個問題，引入了AND信號量，它允許一次申請多種資源，每種資源申請一個單位。只有當所有申請的資源都滿足要求時，才會全部分配，否則一種資源也不會分配。

AND型信號量通過Swait和Ssignal兩個原語進行資源的申請和釋放。Swait的參數為涉及的n種資源的信號量，分別定義為S_1到S_n。在Swait操作中，首先檢查n種資源的可用數量（即信號量的value）是否都大于或等于1。如果滿足條件，則將所有信號量的value值減1，表示資源分配成功；如果不滿足條件，則從S_1到S_n中查找第一個value值小于1的信號量S_i，并將當前進程阻塞到S_i的阻塞隊列S_i.L中。此時，程序的計數器將重新定位到Swait操作的起點，等待資源滿足條件后繼續執行。

偽代碼如下：

// Swait原語：請求多個資源
void Swait(semaphore S_1, semaphore S_2, ..., semaphore S_n) {// 判斷所有信號量的value是否都大于等于1if (S_1.value >= 1 && S_2.value >= 1 && ... && S_n.value >= 1) {// 如果所有資源都可用，則將每個資源的value值減1for (int i = 1; i <= n; i++) {S_i.value = S_i.value - 1;}} else {// 否則，找到第一個不可用的資源for (int i = 1; i <= n && S_i.value >= 1; i++);// 將進程阻塞到第一個不可用資源的阻塞隊列中block(S_i.L);// 程序計數器重新定位到Swait操作的起點，等待資源可用}
}// Ssignal原語：釋放多個資源
void Ssignal(semaphore S_1, semaphore S_2, ..., semaphore S_n) {// 釋放每個資源并將value加1for (int i = 1; i <= n; i++) {S_i.value = S_i.value + 1;// 如果該資源的value小于等于0，表示有阻塞的進程，需要喚醒if (S_i.value <= 0) {wake(S_i.L);}}
}

示例：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>typedef struct process_control_block {pthread_t thread;  // 阻塞進程的線程IDstruct process_control_block *next;  // 指向下一個進程
} PCB;typedef struct {int value;  // 信號量的值，表示資源的數量PCB *L;     // 阻塞進程隊列的頭指針
} semaphore;semaphore S1 = {1, NULL};  // 資源1，初始值為1
semaphore S2 = {1, NULL};  // 資源2，初始值為1
semaphore S3 = {1, NULL};  // 資源3，初始值為1// 模擬進程被阻塞
void block(PCB *L) {PCB *new_pcb = (PCB *)malloc(sizeof(PCB));new_pcb->thread = pthread_self();  // 獲取當前進程的線程IDnew_pcb->next = NULL;// 將新進程加入到阻塞隊列的尾部if (L == NULL) {L = new_pcb;} else {PCB *temp = L;while (temp->next != NULL) {temp = temp->next;}temp->next = new_pcb;}// 阻塞進程的代碼邏輯printf("進程 %lu 被阻塞。\n", pthread_self());pthread_exit(NULL);  // 當前線程掛起
}// 模擬進程被喚醒
void wake(PCB *L) {if (L != NULL) {PCB *temp = L;L = L->next;  // 喚醒隊列中的第一個進程printf("進程 %lu 被喚醒。\n", temp->thread);free(temp);  // 釋放喚醒的進程}
}// Swait原語：請求多個資源
void Swait(semaphore *S_1, semaphore *S_2, semaphore *S_3) {if (S_1->value >= 1 && S_2->value >= 1 && S_3->value >= 1) {// 如果所有資源都可用，則將資源的value值減1S_1->value--;S_2->value--;S_3->value--;printf("資源已分配給進程 %lu。\n", pthread_self());} else {// 否則，找到第一個不可用的資源if (S_1->value < 1) {block(S_1->L);  // 阻塞進程} else if (S_2->value < 1) {block(S_2->L);} else if (S_3->value < 1) {block(S_3->L);}}
}// Ssignal原語：釋放多個資源
void Ssignal(semaphore *S_1, semaphore *S_2, semaphore *S_3) {S_1->value++;S_2->value++;S_3->value++;printf("資源已被進程 %lu 釋放。\n", pthread_self());// 喚醒被阻塞的進程wake(S_1->L);wake(S_2->L);wake(S_3->L);
}// 線程函數
void *process(void *param) {printf("進程 %lu 正在嘗試請求資源。\n", pthread_self());Swait(&S1, &S2, &S3);  // 請求資源printf("進程 %lu 已進入臨界區。\n", pthread_self());Ssignal(&S1, &S2, &S3);  // 釋放資源return NULL;
}int main() {pthread_t t1, t2, t3;// 創建三個線程pthread_create(&t1, NULL, process, NULL);pthread_create(&t2, NULL, process, NULL);pthread_create(&t3, NULL, process, NULL);// 等待線程結束pthread_join(t1, NULL);pthread_join(t2, NULL);pthread_join(t3, NULL);return 0;
}
4）信號量集

當一個進程需要申請多種資源，每種資源需要多個單位，并且當資源的可用數量低于設定的下限時，不應進行資源分配。為便于軟件開發，AND型信號量機制進行了擴展，定義了信號量集。

信號量集的資源申請和釋放操作與AND型信號量相似，但參數的構成有所不同。具體來說，Swait操作的參數包括n種資源信號量S_i、每種資源的申請數量d_i以及資源分配的下限t_i的序列。在Swait中，首先判斷每種資源的可用數量（即信號量的value）是否大于或等于對應的下限t_i，如果滿足條件，則將每種資源的信號量value減去相應的d_i，表示分配成功；如果不滿足條件，則檢查所有資源的可用性，直到發現第一個不滿足條件的信號量S_i，然后將當前進程阻塞到該信號量S_i的阻塞隊列S_i.L中。此時，程序的計數器將重新定位到Swait操作的起點，等待資源滿足條件后繼續執行。

偽代碼如下：

// Swait原語：請求多個資源，指定每種資源的分配下限和申請數量
void Swait(semaphore S_1, int t_1, int d_1, ..., semaphore S_n, int t_n, int d_n) {// 判斷所有信號量的value是否都大于等于對應的分配下限if (S_1.value >= t_1 && S_2.value >= t_2 && ... && S_n.value >= t_n) {// 如果所有資源都滿足分配條件，則將資源的value值減去對應的申請數量for (int i = 1; i <= n; i++) {S_i.value = S_i.value - d_i;}} else {// 否則，找到第一個不滿足資源要求的信號量for (int i = 1; i <= n && S_i.value >= t_i; i++);// 將進程阻塞到不滿足條件的信號量的阻塞隊列中block(S_i.L);// 程序計數器重新定位到Swait操作的起點，等待資源可用}
}// Ssignal原語：釋放多個資源，指定每種資源的釋放數量
void Ssignal(semaphore S_1, int d_1, ..., semaphore S_n, int d_n) {// 釋放每個資源并將value加上對應的釋放數量for (int i = 1; i <= n; i++) {S_i.value = S_i.value + d_i;// 喚醒阻塞隊列中的進程if (S_i.value <= 0) {wake(S_i.L);}}
}

示例：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>typedef struct process_control_block {pthread_t thread;  // 阻塞進程的線程IDstruct process_control_block *next;  // 指向下一個進程
} PCB;typedef struct {int value;  // 信號量的值，表示資源的數量PCB *L;     // 阻塞進程隊列的頭指針
} semaphore;semaphore S1 = {5, NULL};  // 資源1，初始值為5
semaphore S2 = {5, NULL};  // 資源2，初始值為5
semaphore S3 = {5, NULL};  // 資源3，初始值為5// 模擬進程被阻塞
void block(PCB *L) {PCB *new_pcb = (PCB *)malloc(sizeof(PCB));new_pcb->thread = pthread_self();  // 獲取當前進程的線程IDnew_pcb->next = NULL;// 將新進程加入到阻塞隊列的尾部if (L == NULL) {L = new_pcb;} else {PCB *temp = L;while (temp->next != NULL) {temp = temp->next;}temp->next = new_pcb;}// 阻塞進程的代碼邏輯printf("進程 %lu 被阻塞。\n", pthread_self());pthread_exit(NULL);  // 當前線程掛起
}// 模擬進程被喚醒
void wake(PCB *L) {if (L != NULL) {PCB *temp = L;L = L->next;  // 喚醒隊列中的第一個進程printf("進程 %lu 被喚醒。\n", temp->thread);free(temp);  // 釋放喚醒的進程}
}// Swait原語：請求多個資源，指定每種資源的分配下限和申請數量
void Swait(semaphore *S_1, int t_1, int d_1, semaphore *S_2, int t_2, int d_2, semaphore *S_3, int t_3, int d_3) {// 判斷所有信號量的value是否都大于等于對應的分配下限if (S_1->value >= t_1 && S_2->value >= t_2 && S_3->value >= t_3) {// 如果所有資源都滿足分配條件，則將資源的value值減去對應的申請數量S_1->value -= d_1;S_2->value -= d_2;S_3->value -= d_3;printf("資源已分配給進程 %lu。\n", pthread_self());} else {// 否則，找到第一個不滿足資源要求的信號量if (S_1->value < t_1) {block(S_1->L);  // 阻塞進程} else if (S_2->value < t_2) {block(S_2->L);} else if (S_3->value < t_3) {block(S_3->L);}}
}// Ssignal原語：釋放多個資源，指定每種資源的釋放數量
void Ssignal(semaphore *S_1, int d_1, semaphore *S_2, int d_2, semaphore *S_3, int d_3) {S_1->value += d_1;S_2->value += d_2;S_3->value += d_3;printf("資源已被進程 %lu 釋放。\n", pthread_self());// 喚醒阻塞隊列中的進程wake(S_1->L);wake(S_2->L);wake(S_3->L);
}// 線程函數
void *process(void *param) {printf("進程 %lu 正在嘗試請求資源。\n", pthread_self());Swait(&S1, 2, 1, &S2, 2, 1, &S3, 2, 1);  // 請求資源printf("進程 %lu 已進入臨界區。\n", pthread_self());Ssignal(&S1, 1, &S2, 1, &S3, 1);  // 釋放資源return NULL;
}int main() {pthread_t t1, t2, t3;// 創建三個線程pthread_create(&t1, NULL, process, NULL);pthread_create(&t2, NULL, process, NULL);pthread_create(&t3, NULL, process, NULL);// 等待線程結束pthread_join(t1, NULL);pthread_join(t2, NULL);pthread_join(t3, NULL);return 0;
}

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