文章目录

10.1 信号量概念
10.2 信号量的使用
10.3 管程
- 10.4 经典同步问题
10.5 练习题

10.1 信号量概念

信号量（Semaphore）是另一种临界区的保护机制，它是操作系统提供的一种协调共享资源访问的方法。
它将资源纳入全局考虑，从操作系统的层面对资源进行宏观的调配。

这个机制由Dijkstra在20世纪60年代提出，是早期操作系统的主要同步机制。

信号量Semphore中的整数sem就是这个系统资源剩余量。申请时减少，释放时增加即可，没有时等待分配，所以先进先出。
实现的结构和lock很像。

具体的实现接口为P()和V()，分别是荷兰语(?)增加prolagg和减少verhoog的缩写。

信号量的实现（其中sem是剩余资源）

class Semaphore {int sem;WaitQueue q;
}Semaphore::P(){sem--;if (sem < 0) {Add thread t to q;block(p);}
}
Semaphore::V(){sem++;if (sem <= 0) { // 说明队列中有线程在等待Remove a thread t from q;Wakeup(t);}
}

如果弄懂了clock的机制，从上面的代码中信号量应当是非常好理解的，这个机制拥有如下的特征：

sem是由操作系统全局保护的整数变量，信号量的相关操作是原子操作。不像软件方法，相关操作不会被打断。
P()可能阻塞，V()不会阻塞
通常假定信号量是“公平的”：
- 线程不会无限地阻塞在P()操作
- 假定信号量等待按先进先出

10.2 信号量的使用

信号量可分为二进制信号量（资源数目为0或1）和资源信号量（资源数目为任何非负值），基于其一可以实现另一个。

信号量可以用于实现临界区的互斥访问和线程间的条件同步。

用信号量实现临界区的互斥访问，示例如下：

mutex = new Semaphore(1);mutex->P();
Critical Section;
mutex->V();

必须成对使用P()操作和V()操作，不能颠倒、重复或遗漏

利用P和V配对的性质，可以将P和V分开，从而实现条件同步。
在如下图的线程A中，如果调用P，那么信号量将变为-1，进入等待状态（这是信号量设计中很精髓的FIFO）。线程B调用V之后，信号量变为0，这时A重新开始运行，从而就实现了两个线程的同步。

生产者-消费者问题

任何时候只能有一个线程操作缓冲区（互斥访问）
缓冲区空时，消费者必须等待生产者（条件同步）
缓冲区满时，生产者必须等待消费者（条件同步）

用信号量描述在这个问题当中的约束：

二进制信号量mutex表示I/O是否被占用，初始化为1
资源信号量fullBuffers表示当前占满的缓冲区数量，用于限制读出，初始化为0
资源信号量emptyBuffers表示当前为空的缓冲区数量，用于限制写入

伪代码如下：

class BoundedBuffer{mutex = new Semaphore(1);fullBuffers = new Semaphore(0);emptyBuffers = new Semaphore(n);
}

其生产、消费两个过程相互对称，

BoundedBuffer::Deposit(c){emptyBuffers->P();//条件同步mutex->P();    //互斥访问Add c to buffer; //核心操作mutex->V();    //互斥访问fullBuffers->V();//条件同步
}
BoundedBuffer::Withdraw(c){fullBuffers->P();//条件同步mutex->P();    //互斥访问Add c to buffer; //核心操作mutex->V();    //互斥访问emptyBuffers->V();//条件同步
}

使用信号量的困难在于：

读/开发都比较困难
容易出错
不能系统性地解决死锁问题

10.3 管程

管程是一种更为现代的实现互斥访问的方法。与临界区相比，管程有更好的封装，如果设计得当，则处理各种问题时，使用将极为便捷。但我感觉这可能是迄今为止最难以理解的一节。

类似我们要为临界区实现提供lock和semaphore两种工具类，对于管程，我们还要实现一个条件变量condition类。

管程通过使用条件变量提供对同步的支持，这些条件变量包含在管程中，并且只有管程才能访问

与信号量的一个最为重要的不同在于，使用条件变量时，如果进入等待状态，还能暂时放弃管程的互斥访问等待事件出现时恢复，从而并行进行其他操作，而不是简单地像对临界区那样“固守”。
这一点是使用了条件变量的好处，可以看到中途释放了lock。

用管程解决生产者-消费者问题

通过良好的设计封装，可以降低使用过程的使用难度。
具体使用情景下，Deposit和Remove都只需要简单的对外接口，但有着有效的互斥访问机制。

管程中的条件变量按照不同的释放处理方式分为两种：

内部的线程优先执行（Hoare）
正占用管程处于执行状态的线程优先执行（Hansen）

具体的实现，按照老师的说法是将管程中的while非常关键，它保证能在管程T2退出之后再恢复T1的管程执行，这样实现的Hansen管程，切换次数较少，实际使用效率更高。

Hoare管程只需要将while改成if。正确性更容易说明，更适合理论分析和教学。（srds我还是不懂

10.4 经典同步问题

哲学家就餐问题（五人和五个叉子交替围圈，每个人有思考吃饭两个状态，吃饭需要左右两只叉子）
要防止死锁，又要有尽可能多的人吃到。
一个合理的思路是，避免大家完全用同样的手先发。

#define N 5
semaphore fork[5];
void philosopher(int i){while (true){think();if (i % 2){p(fork[i]);p(fork[(i+1)%N]);} else {p(fork[(i+1)%N]);p(fork[i]);}eat();V(fork[i]); // 释放不阻塞，因而不用使用分支区别对待V(fork[(i+1)%N]);}
}

更详细的解析，见https://blog.csdn.net/theLostLamb/article/details/80741319

读者-写者问题
正是之前所提到的同步互斥的一个抽象版本。要求读读不互斥，读写和写写都互斥。管程可以简化同步问题的实现方法。

这里略去，可见https://blog.csdn.net/hhypractise/article/details/107150434

10.5 练习题

一个进程由阻塞队列进入就绪队列，可能发生了哪种情况_________（A）

A. 一个进程释放一种资源
B. 系统新创建了一个进程
C. 一个进程从就绪队列进入阻塞队列
D. 一个在阻塞队列中的进程被系统取消了

如果有5个进程共享同一程序段，每次允许3个进程进入该程序段，若用PV操作作为同步机制则信号量S为-1时表示什么_________（C）

A. 有四个进程进入了该程序段
B. 有一个进程在等待
C. 有三个进程进入了程序段，有一个进程在等待
D. 有一个进程进入了该程序段，其余四个进程在等待

管程的主要特点有__________（ABD）

A. 局部数据变量只能被管程的过程访问
B. 一个进程通过调用管程的一个过程进入管程
C. 不会出现死锁
D. 在任何时候，只能有一个进程在管程中执行

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