第十二讲 同步与互斥

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

自旋锁能否实现先进先出?

信号量(semaphore)

信号量在概念上的实现

信号量(semaphore)

可分为两类信号量

• 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
• 两者等价：基于一个可以实现另一个

信号量的使用

• 互斥访问 和 条件同步

信号量(semaphore)

互斥访问举例

• 每个临界区设置一个信号量，其初值为1
• 需成对使用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

信号量(semaphore)

条件同步举例

• 每个条件同步设置一个信号量，其初值为0

信号量(semaphore)

生产者-消费者问题举例

• 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
    

信号量(semaphore)

生产者-消费者问题举例

• 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

信号量(semaphore)

生产者-消费者问题举例： P、V操作的顺序有影响吗？

信号量(semaphore)

• 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