操作系统5--信号量机制
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信号量是一个被保护的变量，并且只能通过初始化和两个标准
的原子操作来访问.
1、整型信号量机制 2、记录型信号量机制 3、信号量集机制
5.1/28 2011
操作系统
1、整型信号量机制
1).整型信号量 是一个整数，表示空闲资源总数（又称为“资源信号量”） ----若为非负值表示当前的空闲资源数， ----为负值其绝对值表示当前等待临界区的进程数 ----初值应该大于零。
5.19/28
2011
操作系统
A.采用记录型信号量机制
Wmutex：互斥信号量：表示“允许写”，初值是1。 公共变量Readcount表示“正在读”的进程数，初值是0； Rmutex:互斥信号量：表示对Readcount的互斥操作，初值是1。
reader writer
Wait(Wmutex); Write; Signal(Wmutex); wait(Rmutex); if(Readcount=0) then wait(wmutex) Readcount=Readcount+1; Signal(Rmutex); //关闭写的同时允许读（无上限） read; Wait(Rmutex); Readcount:=Readcount-1; if Readcount=0 then signal(Wmutex); Signal(Rmutex); //适当的时候打开写
两个原子操作即: P,V操作。也常称为wait(s),singal(s)
（P、V分别是荷兰语的test(proberen)和increment(verhogen)） 即： P(s): Wait(s): while s<=0 do no_op s:=s-1; V(s): Singal(s): s:=s+1;
操作系统
3.3.2 信号量(semaphore)机制
P51
前面的互斥算法都存在问题，它们是平等进程间的一种协商机
制，需要一个地位高于进程的管理者来解决公有资源的使用问题 。OS可从进程管理者的角度来处理互斥的问题，信号量就是OS提 供的管理公有资源的有效手段 1965年，由荷兰学者Dijkstra提出，他把互斥的关键概念抽象 到信号量这个概念中，是一种卓有成效的进程同步机制
5.2/28 2011
2).利用信号量实现互斥
操作系统
为临界资源设置一个互斥信号量mutex(MUTual EXclusion)，初值为1； 在每个进程中将临界区代码置于wait(mutex)和signal(mutex)原语之间 利用信号量实现进程互斥：
Var mutex: semaphore ；//说明一个信号量
临界区/资源访问区
5.8/28 2011操作系统Fra bibliotek伪码描述
Procedure wait(s) var S: semaphore; begin S.value:=s.value-1; if S.value<0 then block(S,L); end; Procedure signal(s) Var S:semaphore; Begin S.value:=S.value+1; If S.value<=0 then wakeup(S.L); End;
PV原子操作： Swait(S1, t1, d1; ...; Sn, tn, dn); Ssignal(S1, d1; ...; Sn, dn); 一般“信号量集”的几种特定情况： Swait(S, d, d)表示每次申请d个资源，当少于d个时，便不分配 Swait(S, 1, 1)表示互斥信号量； Swait(S, 1, 0)作为一个可控开关，并不申请资源 当S>=1时，可以通过测试，允许多个进程进入某特定区； 当S=0时，无法通过测试，禁止任何进程进入某特定区；
共享缓冲区 一次只可放一个产品
5.16/28 2011
操作系统
生产者--消费者同步的关键问题 涉及两类进程： 生产者进程和消费者进程
需要保证以下同步关系： 1.多个进程互斥地访问公共缓冲区； 互斥信号量 mutex 2.不能向满的缓冲区中添加产品； 可用的空资源信号量 empty 3.不能从空的缓冲区中提取产品。 可用的满资源信号量 full
5.11/28
2011
操作系统
Swait(Simultaneous Wait)
Swait(S1, S2, …, Sn) //P原语； { if (S1 ≥1 and S2 ≥ 1 … Sn ≥ 1) {//满足资源要求时的处理； for (i = 1; i <= n; ++i) Si=Sj-1;//注：与wait的处理不同，这里是在确信可满足 //资源要求时，才进行减1操作 } else {//某些资源不够时的处理； 调用进程进入第一个小于1信号量的等待队列Sj.queue ,阻 塞调用进程; } }
操作系统
记录型信号量的P，V操作(wait(s)和signal(s))
P( s ) V( s )
s.value = s.value - 1 Y s .value< 0 ?
N 本进程获得 一个资源 本进程进入s.list 队列，进入阻塞 状态
s.value = s.value + 1 Y
s .value<= 0 ? N 将s.list中 第一个进程 唤醒，
2011
操作系统
3.3.3 经典进程同步问题
P58
1. 生产者－消费者问题(producer-consumer problem) 问题描述：若干进程通过有限的共享缓冲区交换数据。其中， “生产者”进程不断写入，而“消费者”进程不断读出；共 享缓冲区共有N个；任何时刻只能有一个进程.可对共享缓冲 区进行操作。 生产者
Wait(full); Wait(mutex); //进入区 One unit buffer; Signal(mutex); Signal(empty); //退出区
每个进程中各个wait操作的次序是重要的：先检查资源数目，
再检查是否互斥.否则可能死锁(?) 采用AND信号量集： Swait(empty, mutex)；| Swait(full,mutex)； Ssignal(mutex,full)；| Ssignal(mutex,empty);
P1 C1 V(S12);
5.5/28
P2
P(S12);
C2
2011
操作系统
例：用信号量来描述如下的前趋图
s1 s2 s4 s3
s5
s6
Var a,b,c,d,e,f,g:semaphore:=0,0,0,0,0,0,0,0;
Parbegin begin S1; signal(a); signal(b); end; begin wait(a); S2; signal(c); signal(d); end; begin wait(b); S3; signal(e); end; begin wait(c); S4; signal(f); end; begin wait(d); S5; signal(g); end; begin wait(e); wait(f); wait(g); S6; end; Parend;
full + empty=N
5.17/28 2011
操作系统
采用记录型信号量机制解决该同步问题 var mutex,full,empty:semaphore:=1,n,0
Producer Consumer
Wait(empty); Wait(mutex); //进入区 One unit buffer; Signal(mutex); Signal(full); //退出区
5.18/28 2011
操作系统
2. 读者－写者问题 (readers-writers problem)
问题描述： 一个数据对象（数据文件或记录），可以被多个进程共享。 其中有些进程要读，有些要写或修改。 允许多个读者进程同时读一个共享对象，但不允许一个写者 进程和其它读者或写者进程同时访问共享对象。 该同步问题涉及两类进程： 读者（reader)进程和写者(writer)进程。 并且，这两个进程的同步问题就是指: 保证“读－写”互斥， “写－写”互斥， “读－读”允许 的问题。
5.6/28 2011
操作系统
2、记录型信号量机制
引入进程阻塞机制 在信号量里增加对阻塞进程的记录 typedef struct Semaphore{ int value; process_list * list; } semaphore ; 资源个数 阻塞进程（PCB）队列
5.7/28
2011
信号量集用于进程需要多个资源时的信号量操作；
5.10/28
2011
操作系统
1) AND型信号量集机制 基本思想： 将一段代码同时需要的多个临界资源，采用原子 方式，要么全部分配给它，要么一个都不分配。称为 Swait(Simultaneous Wait)。同样地，使用结束后一 起释放，称为Ssignal;
遗漏wait原语则不能保证互斥访问 遗漏signal原语则不能在使用临界资源之后将其 释放（给其他等待的进程）；
5.4/28
2011
操作系统
3). 利用信号量来描述前趋（合作）关系
C1 C2
• 前趋关系：并发执行的进程P1和P2中，分别有代码C1和 C2，要求C1在C2开始前完成；
• 为每个前趋关系设置一个互斥信号量S12，其初值为0
process1: begin repeat wait(mutex); critical section; signal(mutex); remainder section; until false; end process2: begin repeat wait(mutex); critical section; signal(mutex); remainder section; until false; end
5.13/28 2011
2) 一般“信号量集”机制
一次需要N个某类临界资源时，要进行N次wait操作——低效
操作系统
一般信号量集的基本思想：在AND型信号量集的基础上进行扩充,扩充为 进程需要申请多个资源，每个资源可能申请多个的情况， 每个资源对应一个信号量Si： 进程对资源i的需求值为di:每次申请或释放di个，Si=Si-di和Si=Si+di 资源i的测试值为ti:当资源个数小于ti时，便不再分配
5.12/28 2011
//次序并不重要，虽然会影响进 程归入哪个阻塞队列，但由于是 对资源全部分配或不分配，所以 总有进程获得全部资源并在推进 之后释放资源，因此不会死锁
Ssignal(Simultaneous Signal)
操作系统
Ssignal(S1, S2, …, Sn){ for (i = 1; i <= n; ++i){ ++Si; //释放占用的资源； for (each process P waiting in Si.queue){ //检查每种资源的等待队列中的所有进程； 从等待队列Si.queue中取出进程P; if(判断P是否通过Swait中的测试){ //注:与signal不同，需重新判断 进程P进入就绪队列; break; } else{ //未通过检查（资源不够用）时的处理； 进程P进入某等待队列；//然后继续循环判断下一个进程 } } } }
process1: begin repeat P(mutex); critcial section; V(mutex); remainder section; until false; end
5.3/28
2011
操作系统
注
意：
必须成对使用wait和signal原语
wait、signal原语不能出现次序错误、重复或遗漏
当s.value初值为1时，转化为互斥信号量
5.9/28 2011
操作系统
3、信号量集
整型信号量机制和记录型信号量机制都是针对进程间要共享
一个临界资源而言的； 当一段处理代码需要同时获取两个或多个临界资源时，使用 整型或记录型信号量，会产生各进程分别获得部分临界资源， 然后等待其余的临界资源，“各不相让”的问题---死锁。 如：A,B进程都要访问共享资源D,E.
5.14/28 2011
操作系统
信号量
整型信号量机制 多个进程共享一个临界资源 记录型信号量机制 And型信号量集机制： 同时需要多种资 信号量集机制 源且每种占用一个时的信号量操作； 一般信号量集机制：同时需要多种资源、每 种占用的数目不同、且可分配的资源还存在 一个临界值时的处理；
5.15/28
的原子操作来访问.
1、整型信号量机制 2、记录型信号量机制 3、信号量集机制
5.1/28 2011
操作系统
1、整型信号量机制
1).整型信号量 是一个整数，表示空闲资源总数（又称为“资源信号量”） ----若为非负值表示当前的空闲资源数， ----为负值其绝对值表示当前等待临界区的进程数 ----初值应该大于零。
5.19/28
2011
操作系统
A.采用记录型信号量机制
Wmutex：互斥信号量：表示“允许写”，初值是1。 公共变量Readcount表示“正在读”的进程数，初值是0； Rmutex:互斥信号量：表示对Readcount的互斥操作，初值是1。
reader writer
Wait(Wmutex); Write; Signal(Wmutex); wait(Rmutex); if(Readcount=0) then wait(wmutex) Readcount=Readcount+1; Signal(Rmutex); //关闭写的同时允许读（无上限） read; Wait(Rmutex); Readcount:=Readcount-1; if Readcount=0 then signal(Wmutex); Signal(Rmutex); //适当的时候打开写
两个原子操作即: P,V操作。也常称为wait(s),singal(s)
（P、V分别是荷兰语的test(proberen)和increment(verhogen)） 即： P(s): Wait(s): while s<=0 do no_op s:=s-1; V(s): Singal(s): s:=s+1;
操作系统
3.3.2 信号量(semaphore)机制
P51
前面的互斥算法都存在问题，它们是平等进程间的一种协商机
制，需要一个地位高于进程的管理者来解决公有资源的使用问题 。OS可从进程管理者的角度来处理互斥的问题，信号量就是OS提 供的管理公有资源的有效手段 1965年，由荷兰学者Dijkstra提出，他把互斥的关键概念抽象 到信号量这个概念中，是一种卓有成效的进程同步机制
5.2/28 2011
2).利用信号量实现互斥
操作系统
为临界资源设置一个互斥信号量mutex(MUTual EXclusion)，初值为1； 在每个进程中将临界区代码置于wait(mutex)和signal(mutex)原语之间 利用信号量实现进程互斥：
Var mutex: semaphore ；//说明一个信号量
临界区/资源访问区
5.8/28 2011操作系统Fra bibliotek伪码描述
Procedure wait(s) var S: semaphore; begin S.value:=s.value-1; if S.value<0 then block(S,L); end; Procedure signal(s) Var S:semaphore; Begin S.value:=S.value+1; If S.value<=0 then wakeup(S.L); End;
PV原子操作： Swait(S1, t1, d1; ...; Sn, tn, dn); Ssignal(S1, d1; ...; Sn, dn); 一般“信号量集”的几种特定情况： Swait(S, d, d)表示每次申请d个资源，当少于d个时，便不分配 Swait(S, 1, 1)表示互斥信号量； Swait(S, 1, 0)作为一个可控开关，并不申请资源 当S>=1时，可以通过测试，允许多个进程进入某特定区； 当S=0时，无法通过测试，禁止任何进程进入某特定区；
共享缓冲区 一次只可放一个产品
5.16/28 2011
操作系统
生产者--消费者同步的关键问题 涉及两类进程： 生产者进程和消费者进程
需要保证以下同步关系： 1.多个进程互斥地访问公共缓冲区； 互斥信号量 mutex 2.不能向满的缓冲区中添加产品； 可用的空资源信号量 empty 3.不能从空的缓冲区中提取产品。 可用的满资源信号量 full
5.11/28
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操作系统
Swait(Simultaneous Wait)
Swait(S1, S2, …, Sn) //P原语； { if (S1 ≥1 and S2 ≥ 1 … Sn ≥ 1) {//满足资源要求时的处理； for (i = 1; i <= n; ++i) Si=Sj-1;//注：与wait的处理不同，这里是在确信可满足 //资源要求时，才进行减1操作 } else {//某些资源不够时的处理； 调用进程进入第一个小于1信号量的等待队列Sj.queue ,阻 塞调用进程; } }
操作系统
记录型信号量的P，V操作(wait(s)和signal(s))
P( s ) V( s )
s.value = s.value - 1 Y s .value< 0 ?
N 本进程获得 一个资源 本进程进入s.list 队列，进入阻塞 状态
s.value = s.value + 1 Y
s .value<= 0 ? N 将s.list中 第一个进程 唤醒，
2011
操作系统
3.3.3 经典进程同步问题
P58
1. 生产者－消费者问题(producer-consumer problem) 问题描述：若干进程通过有限的共享缓冲区交换数据。其中， “生产者”进程不断写入，而“消费者”进程不断读出；共 享缓冲区共有N个；任何时刻只能有一个进程.可对共享缓冲 区进行操作。 生产者
Wait(full); Wait(mutex); //进入区 One unit buffer; Signal(mutex); Signal(empty); //退出区
每个进程中各个wait操作的次序是重要的：先检查资源数目，
再检查是否互斥.否则可能死锁(?) 采用AND信号量集： Swait(empty, mutex)；| Swait(full,mutex)； Ssignal(mutex,full)；| Ssignal(mutex,empty);
P1 C1 V(S12);
5.5/28
P2
P(S12);
C2
2011
操作系统
例：用信号量来描述如下的前趋图
s1 s2 s4 s3
s5
s6
Var a,b,c,d,e,f,g:semaphore:=0,0,0,0,0,0,0,0;
Parbegin begin S1; signal(a); signal(b); end; begin wait(a); S2; signal(c); signal(d); end; begin wait(b); S3; signal(e); end; begin wait(c); S4; signal(f); end; begin wait(d); S5; signal(g); end; begin wait(e); wait(f); wait(g); S6; end; Parend;
full + empty=N
5.17/28 2011
操作系统
采用记录型信号量机制解决该同步问题 var mutex,full,empty:semaphore:=1,n,0
Producer Consumer
Wait(empty); Wait(mutex); //进入区 One unit buffer; Signal(mutex); Signal(full); //退出区
5.18/28 2011
操作系统
2. 读者－写者问题 (readers-writers problem)
问题描述： 一个数据对象（数据文件或记录），可以被多个进程共享。 其中有些进程要读，有些要写或修改。 允许多个读者进程同时读一个共享对象，但不允许一个写者 进程和其它读者或写者进程同时访问共享对象。 该同步问题涉及两类进程： 读者（reader)进程和写者(writer)进程。 并且，这两个进程的同步问题就是指: 保证“读－写”互斥， “写－写”互斥， “读－读”允许 的问题。
5.6/28 2011
操作系统
2、记录型信号量机制
引入进程阻塞机制 在信号量里增加对阻塞进程的记录 typedef struct Semaphore{ int value; process_list * list; } semaphore ; 资源个数 阻塞进程（PCB）队列
5.7/28
2011
信号量集用于进程需要多个资源时的信号量操作；
5.10/28
2011
操作系统
1) AND型信号量集机制 基本思想： 将一段代码同时需要的多个临界资源，采用原子 方式，要么全部分配给它，要么一个都不分配。称为 Swait(Simultaneous Wait)。同样地，使用结束后一 起释放，称为Ssignal;
遗漏wait原语则不能保证互斥访问 遗漏signal原语则不能在使用临界资源之后将其 释放（给其他等待的进程）；
5.4/28
2011
操作系统
3). 利用信号量来描述前趋（合作）关系
C1 C2
• 前趋关系：并发执行的进程P1和P2中，分别有代码C1和 C2，要求C1在C2开始前完成；
• 为每个前趋关系设置一个互斥信号量S12，其初值为0
process1: begin repeat wait(mutex); critical section; signal(mutex); remainder section; until false; end process2: begin repeat wait(mutex); critical section; signal(mutex); remainder section; until false; end
5.13/28 2011
2) 一般“信号量集”机制
一次需要N个某类临界资源时，要进行N次wait操作——低效
操作系统
一般信号量集的基本思想：在AND型信号量集的基础上进行扩充,扩充为 进程需要申请多个资源，每个资源可能申请多个的情况， 每个资源对应一个信号量Si： 进程对资源i的需求值为di:每次申请或释放di个，Si=Si-di和Si=Si+di 资源i的测试值为ti:当资源个数小于ti时，便不再分配
5.12/28 2011
//次序并不重要，虽然会影响进 程归入哪个阻塞队列，但由于是 对资源全部分配或不分配，所以 总有进程获得全部资源并在推进 之后释放资源，因此不会死锁
Ssignal(Simultaneous Signal)
操作系统
Ssignal(S1, S2, …, Sn){ for (i = 1; i <= n; ++i){ ++Si; //释放占用的资源； for (each process P waiting in Si.queue){ //检查每种资源的等待队列中的所有进程； 从等待队列Si.queue中取出进程P; if(判断P是否通过Swait中的测试){ //注:与signal不同，需重新判断 进程P进入就绪队列; break; } else{ //未通过检查（资源不够用）时的处理； 进程P进入某等待队列；//然后继续循环判断下一个进程 } } } }
process1: begin repeat P(mutex); critcial section; V(mutex); remainder section; until false; end
5.3/28
2011
操作系统
注
意：
必须成对使用wait和signal原语
wait、signal原语不能出现次序错误、重复或遗漏
当s.value初值为1时，转化为互斥信号量
5.9/28 2011
操作系统
3、信号量集
整型信号量机制和记录型信号量机制都是针对进程间要共享
一个临界资源而言的； 当一段处理代码需要同时获取两个或多个临界资源时，使用 整型或记录型信号量，会产生各进程分别获得部分临界资源， 然后等待其余的临界资源，“各不相让”的问题---死锁。 如：A,B进程都要访问共享资源D,E.
5.14/28 2011
操作系统
信号量
整型信号量机制 多个进程共享一个临界资源 记录型信号量机制 And型信号量集机制： 同时需要多种资 信号量集机制 源且每种占用一个时的信号量操作； 一般信号量集机制：同时需要多种资源、每 种占用的数目不同、且可分配的资源还存在 一个临界值时的处理；
5.15/28