3.1.2【知识点】信号量与P/V操作

同步：是进程间共同完成一项任务时直接发生相互作用的关系，同步进程间具有合作关系 ，在执行时间上必须按一定的顺序协调进行。

互斥：是并发执行的多个进程由于竞争同一资源而产生的相互排斥的关系，互斥进程彼此在逻辑上是完全无关的 ，它们的运行不具有时间次序的特征。

临界资源和临界区：一次仅允许一个进程使用的共享资源，如：打印机、内存单元等。而临界区即指在每个进程中访问临界资源的那段程序，临界区有三个原则：有限进入原则、原则、有限离开原则。

信号量：

一般说来，信号量的值与相应资源的使用情况有关

信号量的值仅由P、V操作改变

P、V操作：

P：申请一个单位资源

V：释放一个单位资源

图3-4  P、V原语操作

用P、V原语实现互斥：

例：打印机分配：互斥信号量mutex（初值为1），Pa为分配进程，Pb为释放进程。

用P、V原语实现简单同步（如下图左）。

图3-5  互斥与简单同步

例：供者和用者对单缓冲区的同步：信号量S1→缓冲区空否（初值为1）；S2→缓冲区满否（初值为0）（如上图右）。

设上例中缓冲区容量为n，分析信号量的设置与状态变化范围（生产者-消费者问题）。分析：生产者-消费者问题不仅要解决生产者进程与消费者进程的同步关系，还要处理缓冲区的互斥关系，因此需要三个信号量来实现。其中两个用来管理同步；empty信号量说明空闲的缓冲区数量，最先没有生产出产品，因此其初值为缓冲区的容纳产品最大数。Fu信号量说明已占用缓冲区的产品数量，其初值为0。另一个mutex信号量用来管理互斥，以保证同时只有一个进程在写缓冲区内，初值取1。

图3-6  生产者－消费者问题

信号量与P/V操作的概念比较抽象，在历年考试中，对于大多数考生而言缺乏对操作系统的系统学习，并没有能够正确地理解信号量的含义，结合考试实践，信号量操作小结如下：

一般来说，一个互斥或一个同步关系可以使用一个信号量来解决，但要注意不要忽略一些隐藏的同步关系。如：在生产/消费者问题中，就有两个同步关系，一是判断是否还有足够空间给生产者存放，还一个是判断是否有足够的产品供消费者使用。

信号量的初值通常表示资源的可用数量。而且对于初值为0的信号量，通常会先做V操作。

在资源使用前，将会使用P操作，在资源用完后，将会作V操作。在互斥关系中，P/V操作是在一个进程中成对出现的；而在同步关系中，P/V操作则是在两个或多个进程中成对出现。

例：设有n个进程使用同一个共享变量，如果最多允许m（m < n）个进程同时进入相关临界区，则信号量的变化范围是      。

A. n,n-1,...,n-mB. m,m-1,...1,0,-1,...m-n

C. m,m-1,...1,0,-1,...m-n-1D. m,m-1,...1,0,-1,...m-n+1

试题分析：

从题义可知，信号量有如下几种状态：

m：没有进程进入临界区，可允许m个进入；

m－1：有一个进程进入临界区，还可允许m－１个进入；

．．．．．．

0：相同道理，有m个进程进入临界区，不允许任何进入，但暂时没有资源等待；

－１：临界区已满，且有一个进程等待进入；

．．．．．．

m－n：最坏情况下，临界区已满，且剩下的进程全部等待进入。

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