信号量机制

1. 信号量的定义与原语

信号量 ：是一个被保护的变量，用于协调进程间的同步与互斥，只能通过两个原子操作访问：

• P操作（wait(S)）：请求资源，若不可用则阻塞进程。
• V操作（signal(S)） ：释放资源，若有等待进程则唤醒。
  原语特性：操作不可中断（原子性），通过硬件或关中断实现。

---

2. 信号量的类型

（1）整型信号量

• 定义 ：用整数S表示资源数量，初值为资源总数。

• P操作：

  wait(S) {
  while (S <= 0);// 资源不足时忙等（不满足"让权等待"）
  S--;// 占用资源
  }

• V操作：

  signal(S) {
  S++;// 释放资源
  }

• 缺点：忙等（CPU浪费），未实现"让权等待"准则。

（2）记录型信号量（解决忙等问题）

• 数据结构：

  typedef struct {
  int value;// 资源数量（初值=资源总数）
  struct process *L;// 等待队列（阻塞进程链表）
  } semaphore;

• P操作：

  wait(semaphore *S) {
  S->value--;// 请求资源
  if (S->value < 0) {// 资源不足
  add current process to S->L;// 阻塞当前进程，加入等待队列
  block();// 放弃CPU（让权等待）
  }
  }

• V操作：

  signal(semaphore *S) {
  S->value++;// 释放资源
  if (S->value <= 0) {// 仍有进程等待
  remove a process P from S->L;// 从等待队列唤醒一个进程
  wakeup(P);// 唤醒进程（阻塞→就绪）
  }
  }

• 优点：通过阻塞/唤醒实现"让权等待"，无忙等，是现代OS的标准信号量。

---

3. 信号量的应用

（1）实现互斥

目标：保证临界资源同一时间仅被一个进程访问。

步骤：

1. 设置互斥信号量 S，初值=1（表示资源可用）。
2. 临界区前后分别执行P(S)（加锁）和V(S)（解锁）。

示例：

semiapio s=1;
P1（）{
    ...
    P(S);	//准备访问临界资源，加锁
    进程P1的临界区；
    V(S);	//访问结束，解锁
...
}
P2（）{
    ...
    P(S);	//准备访问临界资源，加锁
    进程P2的临界区；
    V(S) ;	//访问结束，解锁
...
}

• 注意：
• 不同临界资源需独立信号量。
• P(S)和V(S)必须成对出现（缺一导致死锁或永久阻塞）。

（2）实现同步

目标：协调进程执行次序（如"先生产后消费"）。

步骤：

1. 设置同步信号量 S，初值=0（表示"资源未就绪"）。
2. 前驱进程 完成操作后执行V(S)（释放资源）。
3. 后继进程 开始操作前执行P(S)（等待资源）。

• 示例（P1的x需在P2的y前执行）：

  semaphore S=0;//初始化信号量，初值为0
  P1(){
  x;//执行语句x
  V(S);//告诉进程P2，语句x已经完成
  ...
  }
  P2(){
  ...
  P(S);//检查语句x是否运行完成
  y;//获得x的运行结果，执行语句y
  ...
  }

（3）实现前驱关系

• 目标 ：保证多个操作按固定顺序执行（如S1→S2→S3）。

• 方法 ：为每对前驱关系设置同步信号量，初值=0。

• 前驱操作后 V(S)，后继操作前 P(S)。

• 示例 （S1→S2，S1→S3）：

  semaphore a12=0, a13=0;// 前驱信号量
  S1() { ...;
  V(a12);
  V(a13);
  }// S1完成后唤醒S2、S3
  S2() {
  P(a12);
  ...; }// 等待S1后执行
  S3() {
  P(a13); ...; }// 等待S1后执行

---

4. 信号量操作的核心准则

• 互斥 ：信号量初值=1，P/V夹临界区。
• 同步 ：信号量初值=0，"生产者V，消费者P"。
• 前驱关系 ：每个依赖关系对应一个信号量，前驱V，后继P。
• 原子性 ：P/V操作不可中断，通过原语实现。

---

核心考点 📌

1. 记录型信号量的 P/V逻辑：

• P(S)：S.value--，若S.value<0则阻塞（加入等待队列）。
• V(S)：S.value++，若S.value<=0则唤醒（等待队列非空）。

1. 互斥vs同步的信号量初值：

• 互斥信号量初值=1（资源数=1）。
• 同步信号量初值=0（资源初始不可用）。

1. P/V操作的顺序：

• 互斥：P（进入区）→临界区→V（退出区）。
• 同步：前驱V→后继P。

总结

信号量通过P/V原语实现进程间的同步与互斥，记录型信号量解决了忙等问题，是操作系统中最核心的同步机制。理解其"请求-阻塞"和"释放-唤醒"逻辑，是解决复杂同步问题的基础。

✨ 一句话记忆 ：互斥信号量初值1，P/V夹临界区；同步信号量初值0，前驱V来后继P！ ✨