[OS] 信号量(Semaphore)
一个信号量S是一个整型量,除对其初始化外,它只能由两个原子操作P和V来访问。P和V的名称来源于荷兰文proberen(测试)和verhogen(增量),后面亦将P/V操作分别称作wait(), signal()。
Wait()/Signal()的伪码表示:
Wait(){ Signal(){
while(S <= ); S ++;
S--; }
}
但这并不是信号量的最终实现,最终的信号量实现最好是能解决2个问题:
(1)不能忙等。
(2)有某种方式记录处于等待状态的进程数量。
信号量可以被用来解决n个进程的临界区问题,进程之间共享一个信号量mutex,mutex初始化为1。
下面是使用信号量的互斥实现(这里,初值为1的信号量代替了互斥锁的功能):
do
{
wait(mutex);
//临界区;
signal(mutex);
//退出区;
}
while();
上述的信号量的概念描述中,P操作中的等待是用while循环形式的忙等来实现的-----忙等,浪费CPU时钟
使用忙等形式实现的信号量也被成为自旋锁(Spinlock)。
Spinlock在多处理器系统中是有用的,在进程等待一个锁的时候无需进行上下文切换,上下文切换可能需要花费很长的时间,在锁只需要保留较短时间时,自旋锁比较有用。
为了避免进程忙等,wait和signal的定义需要进行修改:
Wait:
当一个进程执行wait操作但发现信号量S<=0时,它必须等待,这里的等待不是忙等,而是阻塞自己。
阻塞操作将一个进程放入与信号量相关的等待队列中,且该进程的状态被切换成等待状态,接着控制被转到CPU调度程序,以选择另一个进程来执行。
Signal:
一个进程阻塞且等待信号量S,可以在其他进程执行signal操作之后被重新执行。
信号量的物理意义:
S>0表示有S个资源可用
S=0表示无资源可用
S<0,|S|表示S等待队列中的进程个数
为了定义基于阻塞(block)/唤醒(wakeup)的信号量,可以将信号量定义为如下一个"C"结构:
typedef struct
{
int value;
struct process *L;//在该信号量上阻塞的进程队列
} semaphore;
Wait操作定义:
void wait(semaphore S)
{
S.value--;
if(S.value<)
{
add this process to S.L;
block();
}
}
Signal操作定义:
void signal(semaphore S)
{
S.value++;
if(S.value<=)
{
remove a process P from S.L;
wakeup(P);
}
}
下图是Wait()和Signal()操作执行的流程图:
Wait() Signal()
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