深入学习信号量
一．什么资源是临界资源？
临界资源是一次仅允许一个进程使用的共享资源
二．临界区域是什么意思？什么是临界代码？
每个进程中访问临界资源的那段程序称为临界区，或者叫临界代码。
三．临界区或者临界代码有什么特点：
每次只准许一个进程进入临界区，进入后不允许其他进程进入。
四．信号量是解决是什么问题的？
解决在任一时刻只有一个执行线程访问的临界区的代码（即临界代码），防止多个线程或者多个程序同时访问一个共享资源而引发的问题。
因为：程序中存在着一部分临界代码，我们需要确保只有一个进程（或者一个执行线程），可以进入这个临界代码并拥有对该资源的独占式的访问权。
五．信号量的实质：
用于管理对资源的访问；
解决程序对某个特定的资源具有独占式的访问权。
六．能否举个例子，说明哪些代码属于临界代码？
我们用
dbm
来访问数据库。如果有多个程序试图在同一时间更新这个数据库，哪么这个数据可能会遭到破坏。
两个不同的程序要求不同的用户向数据库输入数据，这本身并没有错，但是问题可能出现在对数据库更新的哪部分代码上。因为这部分真正执行数据更新的代码需要独占式执行。
我们称这段代码是：临界代码，或者是临界区。
七．进程进入临界区的调度原则是：
①如果有若干进程要求进入空闲的临界区，一次仅允许一个进程进入；
②任何时候，处于临界区内的进程不可多于一个。如已有进程进入自己的临界区，则其它所有试图进入临界区的进程必须等待；
③进入临界区的进程要在有限时间内退出，以便其它进程能及时进入自己的临界区；
④如果进程不能进入自己的临界区，则应让出
CPU
，避免进程出现“忙等”现象。
七．信号量的分类：
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八．信号量是什么特殊的变量
她是只能取整数值的变量。
九．问什么一个普通变量进行类似的加减法不行？
传统的编程语言如
C
、
C++
等语言，都没有一个原子操作，就是检测：检测一个变量是否为
true
，如果是
true
的话，再将其变量设置为
false
。
十．原子操作如何理解：
1
．原子操作就是不可拆分的操作
例如，
mv
就是原子操作，
cp
就不是原子操作。
2
．在多进程（线程）的操作系统中不能被其它进程（线程）打断的操作就叫原子操作；
3
．文件的原子操作是指操作文件时的不能被打断的操作。
4
．原子还有一层意思，在该次操作不能完成的时候，必须回到操作之前的状态，原子不可分嘛！
如果你删除文件，只删了一半发生错误，你不能只留下另一半吧，必须恢复整个文件。
5．
所有原子操作是同步的，而且不可被外部中断（内中断可以，不过一般是致命错误处理）。
6．
即不可中断的一个或一列系操作
7．
信号量和锁的
PV
操作可以用
CPU
的
XCHG
指令来实现，
8．
原子操作可以用信号量来实现
9．
任何
CPU
的中断都只能发生在指令边界上
10
．（即指令在流水线的执行单元上跑到一半的时候中断
/
异常是不会发生的）
11
．所以原子操作的前提是
test
和
change
操作必须在一个指令中完成。
12
．原子操作的要求是不能在执行的过程中被中断抢占（要知道操作系统的进程调度也是通过时钟中断引发的）
十一．信号量有什么特点：
只能对该变量，该值进行
2
种操作，分别是：
P
操作和
V
操作。
P
操作：用于等待，就是进入临界区域之前的检查点；
V
操作：用于信号，就是放弃对临界区的控制权，或者释放资源；
十二．
P,V
原语理论是谁提出的，该科学家在计算机领域还有什么建树？
赫赫有名的荷兰科学家
E.W.Dijkstra
P,V
原语的概念以及
P,V
操作当中需要使用到的信号量的概念都是由他在
1965
年提出的。
他提出了图论中最短路径问题的
Dijkstra
算法。
十三．信号量的历史，最开始是解决什么问题的？
信号量是最早出现的用来解决进程同步与互斥问题的机制，包括一个称为信号量的变量及对它进行的两个原语操作。信号量为一个整数，我们设这个信号量为：
sem
。很显然，我们规定在
sem
大于等于零的时候代表可供并发进程使用的资源实体数，
sem
小于零的时候，表示正在等待使用临界区的进程的个数。根据这个原则，在给信号量附初值的时候，我们显然就要设初值大于零。
十四．
PV
操作的特点：
P
操作和
V
操作是不可中断的程序段，称为原语。
P,V
原语中
P
是荷兰语的
Passeren
，相当于英文的
pass,
V
是荷兰语的
Verhoog,
相当于英文中的
incremnet
。
十五．
PV
操作到底实现了什么操作，能够详细解释下吗？
1
．
P
原语操作的动作是：
信号量为一个整数，我们设这个信号量为：
sem
（
1
）
sem
减
1
；
（
2
）
若
sem
减
1
后仍大于或等于零，则进程继续执行；
（
3
）
若
sem
减
1
后小于零，则该进程被阻塞后（也就是挂起该进程的执行），进入与该信号相对应的队列中，然后转进程调度。
2
．
V
原语操作的动作是：
（
1
）
sem
加
1
；
（
2
）
若相加结果大于零，则进程继续执行；
（
3
）
若相加结果小于或等于零，则从该信号的等待队列中唤醒一等待进程，然后再返回原进程继续执行或转进程调度。
十六．
P,V
操作有什么注意点？
1．
P,V
操作对于每一个进程来说，都只能进行一次；
2．
而且必须成对使用；
3．
且在
P,V
原语执行期间不允许有中断的发生；
十七．信号量的缺点是什么？
1
．信号量机制必须有公共内存；
2
．不能用于分布式操作系统；
十八．如何实现
P,V
操作
?
1．
可以用硬件实现；
2．
也可以用软件实现；
实现的参考代码如下：
procedure p(var s:samephore);
{
s.value=s.value-1;
if (s.value<0) asleep(s.queue);
}
procedure v(var s:samephore);
{
s.value=s.value+1;
if (s.value<=0) wakeup(s.queue);
}
其中用到两个标准过程：
asleep(s.queue);
执行此操作的进程控制块进入
s.queue
尾部，进程变成等待状态
wakeup(s.queue);
将
s.queue
头进程唤醒插入就绪队列
对于这个过程，
s.value
初值为
1
时，用来实现进程的互斥。
十九．信号量的初始值是什么？为什么是这样？
信号量的初始值是
1
。
信号量为一个整数，我们设这个信号量为：
sem
1
．我们规定在
sem
大于等于零的时候，代表可供并发进程使用的资源实体数；
2
．
sem
小于零的时候，表示正在等待使用临界区的进程的个数。
根据这个原则，在给信号量附初值的时候，我们显然就要设初值大于零。
二十．如何用
P V
原语实现进程互斥？
把临界区置于
P(sem)
和
V(sem)
之间。当一个进程想要进入临界区时，它必须先执行
P
原语操作以将信号量
sem
减
1
，
在进程完成对临界区的操作后，它必须执行
V
原语操作以释放它所占用的临界区。从而就实现了进程的互斥：
具体的过程我们可以简单的描述如下：
PA:
P(sem)
<S>;
V(sem)
PB:
P(sem)
<S>;
V(sem)
二十一．用
P V
原语如何实现进程通信
我们以邮箱通信为例说明问题：
邮箱通信满足的条件是：
<1>;
发送进程发送消息的时候，邮箱中至少要有一个空格能存放该消息。
<2>;
接收进程接收消息时，邮箱中至少要有一个消息存在。
发送进程和接收进程我们可以进行如下的描述：
Deposit(m)
为发送进程，接收进程是
remove(m).
Fromnum
为发送进程的私用信号量，信箱空格数
n
。
mesnum
为接收进程的私用信号量，初值为
0.
2
个信号量，分别是：发送进程
Fromnum
和接收进程
mesnum
1
．发送进程的实现：
Deposit(m)
Begin local x
P(fromnum) //
发送进程的
P
操作
选择空格
x //
邮箱中至少要有一个空格能存放该消息
将消息
m
放入空格
x
中
置格
x
的标志为满
V(mesnum) //
接受进程的
v
操作
end
2
．接受进程的实现：
Remove(m)
Begin local x
P(mesnum) //
接受进程的
P
操作
选择满格
x //
邮箱中至少要有一个消息存在
把满格
x
中的消息取出放
m
中
置格
x
标志为空
V(fromnum) //
发送进程的
v
操作
End
二十二．如何使用信号量的几个步骤：
1
．创建一个新的信号量；
2
．初始化信号量；
3
．在程序进入临界区的时候，调用
P
操作，设置信号量以等待进入；
4
．离开临界区的时候，调用
V
操作，设置信号量，来表示可以再次访问和操作；
5
．删除信号量。
二十三．使用信号量的源码：
1
．创建一个信号量：
static int sem_id;
sem_id = semget((key_t)1234, 1, 0666 | IPC_CREAT);
2
．初始化信号量：
static int set_semvalue(void)
{
union semun sem_union;
sem_union.val = 1;
//semctl
函数允许我们直接控制信号量信息
//SETVAL
用来把信号量初始化为一个已知的值，其作用是在信号量第一次使用之前，
//
对它进行设置；返回
-1:
表示失败
if (semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1)//semctl
函数允许我们直接控制信号量信息
return(0);
return(1);
}
3
．删除信号量：
//
删除信号量
ID,
是如何删除的呢？通过将
semctl
函数的
command
参数设置为
IPC_RMID
，然后调用该函数，来进行删除
static void del_semvalue(void)
{
union semun sem_union;
//IPC_RMID
用于删除一个已经无需继续使用的信号量标识符
if (semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union) == -1)//semctl
函数允许我们直接控制信号
//
量信息
fprintf(stderr, “Failed to delete semaphore/n”);
}
4
．
P
操作：
//
信号量的
P
操作
static int semaphore_p(void)
{
struct sembuf sem_b;
sem_b.sem_num = 0;//
表示信号量的编号，如果一个信号量，其取值为
0
，如果是一组信号量，则是非
0
sem_b.sem_op = -1; /* P() *///-1
表示
P
操作，她等待一个信号量变成可用，也就是说，此时可以进入临界区，进行工作
sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;//
她将使得操作系统跟踪当前进程对这个信号量的修改情况
//
进程退出时，清除其信号量
if (semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1) //semop
函数用于改变信号量的值
{
fprintf(stderr, “semaphore_p failed/n”);
return(0);
}
return(1);
}
5
．
V
操作：
//
信号量的
V
操作
static int semaphore_v(void)
{
struct sembuf sem_b;
sem_b.sem_num = 0;
sem_b.sem_op = 1; /* V() */
sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
if (semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1) //
{
fprintf(stderr, “semaphore_v failed/n”);
return(0);
}
return(1);
}
二十四．信号量的补充说明：
1
．信号量对进程而言是共享的的，也就是说对系统来说，必须要有共享内存；
2
．如果不删除信号量，它将继续在系统中存在，即使无程序在使用她也是粗次。
3
．信号量也是一种有限资源，大家需要节约使用。