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第十二讲 同步与互斥
第二节 信号量
向勇 陈渝 李国良 任炬
2024年春季
信号量(semaphore)
- 信号量是操作系统提供的一种协调共享资源访问的方法
- Dijkstra在20世纪60年代提出
- 早期的操作系统的主要同步机制
信号量(semaphore)
- 信号量是一种抽象数据类型，由一个整型 (sem)变量和两个原子操作组成
- P()：Prolaag 荷兰语：尝试减少
- $sem = sem - 1$
- 如sem<0, 进入等待, 否则继续
- V()：Verhoog 荷兰语：增加
- $sem = sem + 1$
- 如$sem \le 0$, 唤醒一个等待的
- P()：Prolaag 荷兰语：尝试减少
信号量(semaphore)
- 信号量是被保护的整数变量
- 初始化完成后，只能通过P()和V()操作修改
- 由操作系统保证，PV操作是原子操作
- P() 可能阻塞，V()不会阻塞
- 通常假定信号量是“公平的”
- 线程不会被无限期阻塞在P()操作
- 假定信号量等待按先进先出排队
自旋锁能否实现先进先出?
信号量在概念上的实现
信号量的分类和使用
- 信号量的分类
- 二进制信号量：资源数目为0或1
- 计数信号量:资源数目为任何非负值
- 信号量的使用
- 互斥访问
- 条件同步
互斥访问举例
- 每个临界区设置一个初值为1的信号量
- 成对使用P()操作和V()操作
- P()操作保证互斥访问资源
- V()操作在使用后释放资源
- PV操作次序不能错误、重复或遗漏
条件同步举例
- 每个条件同步设置一个信号量，其初值为0
生产者-消费者问题
- 有界缓冲区的生产者-消费者问题描述
- 一个或多个生产者在生成数据后放在一个缓冲区里
- 单个消费者从缓冲区取出数据处理
- 任何时刻只能有一个生产者或消费者可访问缓冲区
生产者-消费者问题
- 问题分析
- 任何时刻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）
- 用信号量描述每个约束
- 二进制信号量mutex
- 计数信号量fullBuffers
- 计数信号量emptyBuffers
生产者-消费者问题
P、V操作的顺序有影响吗？
生产者-消费者问题
- 读/开发代码比较困难
- 容易出错
- 使用已被占用的信号量
- 忘记释放信号量
- 不能够避免死锁问题
- 对程序员要求较高