作業系統 程序同步訊號量
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一、訊號量機制
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1、整型訊號量
1）訊號量定義為一個整型量；
2）根據初始情況賦相應的值；
3）僅能通過兩個原子操作來訪問。
整型訊號量符合“有限等待”原則
signal釋放資源後，當CPU被分配給等待程序後，等待程序仍可繼續執行，可以符合“有限等待”。
但整型訊號量不符合“讓權等待”原則
整型訊號量的wait操作，當s ≤0時，當前程序會佔著CPU不斷測試；
訊號量原語不能被打斷，這個佔有CPU的程序會一直不斷的佔據CPU迴圈下去，陷入忙等。
2、記錄型訊號量
改進：條件不符時應能夠主動放棄CPU
新問題：放棄CPU的程序進入阻塞佇列：因等待某訊號量而放棄CPU的等待程序會有“若干”個，需將它們組織管理起來，並在合適的時候喚醒。
訊號量結構資訊發生變化
不僅要有值的處理，還有佇列的處理。
此時形成記錄型資料結構，包括兩部分：
整型變數value(代表資源數目)
程序連結串列L(連結所有等待程序)：
程式碼描述：
type Semaphore=record
value：integer;
L：list of PCB;
end;
操作：S.Value，S.L
P、V操作也有所變化
不僅修改資源數，還要處理程序的阻塞、喚醒等操作。先修改資源數，再判斷處理。
P操作wait():
S.value = S.value - 1;
if S.value < 0 then block(S,L)
V操作signal()：
**S.value = S.value + 1;
if S.value <= 0 then wakeup(S,L)**
定義訊號量semaphore代表可用資源實體的數量。又叫訊號燈。
當≥0，代表可供併發程序使用的資源實體數
當<0，表示正在等待使用該資源的程序數。
建立一個訊號量必須經過說明，包括
訊號量所代表的意義
賦初值
建立相應的資料結構，以便指向等待使用臨界區的程序。
除初值外，訊號量的值僅能由標準原子操作P、V操作來改變。 PV操作是荷蘭語通過和釋放的意思。
3.訊號量的基本應用
1）實現程序互斥
①實現多個程序互斥
程序i：
P(mutex);
S.value = S.value - 1;
if S.value < 0 then block(S,L)
critical section操作共享資源R
V(mutex);
S.value = S.value + 1;
if S.value <= 0 then wakeup(S,L)
②互斥訊號量注意點
互斥訊號量mutex初值為1；
每個程序中將臨界區程式碼置於P(mutex)和V(mutex)原語之間
必須成對使用P和V原語（在同一程序中），不能次序錯誤、重複或遺漏：
遺漏P原語則不能保證互斥訪問
遺漏V原語則不能在使用臨界資源之後將其釋放（給其他等待的程序）；
2）實現程序間的前趨關係（有序）
①前趨關係:
併發執行的程序P1和P2中，分別有程式碼C1和C2，要求C1要在C2開始前完成；為每對前趨關係設定一個同步訊號量S12，並賦初值為0。則只有V操作所在程序獲得cpu時能執行
P1 ： C1 ；signal(S)；
P2 ： wait(S)；C2 ；
②控制同步順序的注意點
訊號量值為0的點是限制的關鍵所在；
成對使用P和V原語（在有先後關係的兩個程序中），不能次序錯誤、重複或遺漏，否則同步順序出錯
三、訊號量題目做題一般方法：
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分析問題，找出同步、互斥關係
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根據資源設定訊號量變數
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寫出程式碼過程，並注意P、V操作的位置
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檢查程式碼，模擬機器執行，體驗訊號量的變化和程式執行過程是否正確。
四、AND型訊號量
出現原因：一些應用往往需要兩個或多個共享資源，而不是前述的一個資源。程序同時要求的共享資源越多，發生死鎖可能性越大。
解決思想：
一次性分配給程序所需資源，用完一起釋放。Wait操作時對它所有需要的資源都要判斷，有AND條件，故稱“AND同步”、“同時wait”。Swait(S1, S2, …, Sn)
if （S1 >=1 and … and Sn>=1 ）then
for i:=1 to n do
Si:= Si -1 ;
endfor
else
將程序阻塞在第一個不能滿足資源訊號量的佇列中。
endif
Ssignal(S1, S2, …, Sn)
for i:=1 to n do
Si:= Si +1 ;
喚醒所以與si相關的阻塞程序
endfor
五、訊號量集
引入原因：
每次只能獲得或釋放一個單位的資源，低效；
某些時候資源分配有下限的限制；
修改：在大於可分配設定的下界值t前提下，每次可分配d個。
六
、訊號量集的一個特例
只有一個訊號量S的幾種特殊情況：
Swait(S, d, d)，，允許每次申請d個資源，若現有資源數少於d，不予分配。
Swait(S, 1, 1)，蛻化為一般的記錄型訊號量，一次申請一個，至多分配一個(S>1時可計數，或S=1時可控制互斥)。
Swait(S, 1, 0)，當S>=1時，允許多個程序進入某特定區，當S變為0後，阻止任何程序進入特定區，相當於可控開關。並不對S資源的數量產生影響。
重點
熟練掌握整型訊號量，記錄型訊號量
熟練掌握實現訊號量的基本應用——互斥同步