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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

2025年秋季

课程幻灯片列表

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

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

问题：自旋锁能否实现先进先出?

信号量在概念上的实现

Class Semaphore {
  int sem;
  WaitQueue q; 
}

Semaphore::P() {
    sem--；
    if (sem < 0) {
      Add this thread t to q;
      block(t)
    }
}

Semaphore::V() {
    sem++；
    if (sem <= 0) {
      Remove a thread t from q;
      wakeup(t)
    }
}

信号量在概念上的实现

Class Semaphore {
  int sem;
  WaitQueue q; 
}

Semaphore::P() {
    while (sem <= 0) {
      Add this thread t to q;
      block(t)
    }
    sem--；
}

Semaphore::V() {
    sem++；
    if (sem <= 0) {
      Remove a thread t from q;
      wakeup(t)
    }
}

信号量在概念上的实现

• 问题
  • 存在设计缺陷，无法正常工作
  • 信号量始终非负（sem<=0不成立），不会唤醒阻塞线程。因此无法在信号量为正时唤醒线程，导致永久阻塞
    • 示例：初始 sem = 1。
    • 线程A调用 P()：退出循环，sem = 0。
    • 线程B调用 P()：发现 sem = 0，进入循环并阻塞。
    • 线程A调用 V()：sem = 1，但 sem <= 0 不成立，不唤醒线程B。
    • 结果：线程B永久阻塞，系统死锁。

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