【linux】信号量与PV操作 （进程和线程的同步）

目录

1、基本含义

使用PV操作实现进程互斥时应该注意的是：

2、例子：生产者/消费者模型

3.代码实现信号量

信号量分类：进程间信号量、线程间信号量

在计算机操作系统中，PV操作是进程管理中的难点。

     什么是信号量？信号量（semaphore）的数据结构为一个值和一个指针，指针指向等待该信号量的下一个进程。信号量的值与相应资源的使用情况有关。当它的值大于0时，表示当前可用资源的数量；当它的值小于0时，其绝对值表示等待使用该资源的进程个数。      PV操作的含义：PV操作由P操作原语和V操作原语组成（原语是不可中断的过程），对信号量进行操作，具体定义如下：

    P（S）：①将信号量S的值减1，即S=S-1；                                                                         ②如果S>=0，则该进程继续执行；否则该进程置为等待状态，排入等待队列。     V（S）：①将信号量S的值加1，即S=S+1；                                                                       ②如果S>0，则该进程继续执行；否则释放队列中第一个等待信号量的进程。  利用信号量和PV操作实现进程互斥的一般模型是：

    进程P1              进程P2           ……          进程Pn     ……                  ……                           ……     P（S）；              P（S）；                         P（S）；     临界区；             临界区；                        临界区；     V（S）；              V（S）；                        V（S）；     ……                  ……            ……           ……

    （1）每个程序中用户实现互斥的P、V操作必须成对出现，先做P操作，进临界区，后做V操作，出临界区。若有多个分支，要认真检查其成对性。     （2）P、V操作应分别紧靠临界区的头尾部，临界区的代码应尽可能短，不能有死循环。     （3）互斥信号量的初值一般为1。

利用信号量和PV操作实现进程同步：

    PV操作是典型的同步机制之一。用一个信号量与一个消息联系起来，当信号量的值为0时，表示期望的消息尚未产生；当信号量的值非0时，表示期望的消息已经存在。用PV操作实现进程同步时，调用P操作测试消息是否到达，调用V操作发送消息。     使用PV操作实现进程同步时应该注意的是：

    （1）分析进程间的制约关系，确定信号量种类。在保持进程间有正确的同步关系情况下，哪个进程先执行，哪些进程后执行，彼此间通过什么资源（信号量）进行协调，从而明确要设置哪些信号量。     （2）信号量的初值与相应资源的数量有关，也与P、V操作在程序代码中出现的位置有关。     （3）同一信号量的P、V操作要成对出现，但它们分别在不同的进程代码中。

（1）一个生产者，一个消费者，公用一个缓冲区。  定义两个同步信号量：          S_empty——表示缓冲区空位数量，初值为1。          S_ full    ——表示缓冲区占位数量，初值为0。

伪代码：

（2）一个生产者，一个消费者，公用n个（单元的）环形缓冲区。  定义两个同步信号量：

     S_empty——表示缓冲区空位数量，初值为n。     S_full      ——表示缓冲区占位数量，初值为0。

    设缓冲区的编号为1～n-1，定义两个指针in和out，分别是生产者进程和消费者进程使用的指，指向下一个可用的缓冲区。

伪代码：

（3）一组生产者，一组消费者，公用n个（单元的）环形缓冲区     在这个问题中，不仅生产者与消费者之间要同步，而且各个生产者之间、各个消费者之间还必须互斥地访问缓冲区。 定义四个信号量：         empty——表示缓冲区空位数量，初值为n。         full——表示缓冲区占位数量，初值为0。         mutex1——生产者之间的互斥信号量，初值为1。         mutex2——消费者之间的互斥信号量，初值为1。

    设缓冲区的编号为1～n-1，定义两个指针in和out，分别是生产者进程和消费者进程使用的指针，指向下一个可用的缓冲区。

伪代码：

  需要注意的是无论在生产者进程中还是在消费者进程中，两个P操作的次序不能颠倒。应先执行同步信号量的P操作，然后再执行互斥信号量的P操作，否则可能造成进程死锁。

原文链接：https://blog.csdn.net/lixiangsheng2012/article/details/83421359

代码示例：

当有进程要求使用共享资源时，需要执行以下操作：

1.系统首先要检测该资源的信号量；

2.若该资源的信号量值大于0，则进程可以使用该资源，此时，进程将该资源的信号量值减1；

3.若该资源的信号量值为0，则进程进入休眠状态，直到信号量值大于0时进程被唤醒，访问该资源；

       当进程不再使用由一个信号量控制的共享资源时，该信号量值增加1，如果此时有进程处于休眠状态等待此信号量，则该进程会被唤醒。

2.信号量的具体结构 每个信号量集都有一个与其相对应的结构，该结构定义如下：  

信号量集的结构图如下所示：

使用信号量实现生产者消费者模式