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年秋季

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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−1sem = sem - 1
      • 如sem<0, 进入等待, 否则继续
    • V()：Verhoog 荷兰语：增加
      • sem=sem+1sem = sem + 1
      • 如sem≤0sem \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)
    }
}

问题：这个实现与上一个有什么不同？

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

Dijkstra 应译作“戴克斯特拉” https://zhuanlan.zhihu.com/p/73390180 维基百科 Edsger Wybe Dijkstra 页面（https://en.wikipedia.org/wiki/Edsger_W._Dijkstra），Dijkstra 可读作 /ˈdaɪkstrə/ 或 [ˈdɛikstra]

![w:1200](figs/semaphore-impl.png)

- 两者等价：基于一个可以实现另一个