【操作系统】信号量 （生产者与消费者问题）

1.信号量

进程往往需要并行执行，这样cpu利用率更高。正如数据库系统中的并行事务一样，一旦并行就会引来一些问题。在进程并行中，主要问题来自于共享资源的使用，比如共享内存或者共享文件等。这里有两个概念，访问共享资源的代码称为临界区。

信号量是dijkastra发明的一种用于同步进程的机制。每一种共享的资源都对应一个信号量s，s的初始值是共享资源的数目，为非负数。每一个信号量还要对应一个进程的指针，用于维护等待该资源的进程。

信号量上支持两种操作即，P和V操作。这两个操作都是原子操作，因此不可能同时被两个进程执行。

P操作：用于申请资源。其过程为，首先将信号量s的数值减去1，表明申请一个资源。如果s>=0，说明此次分配是成功的，那么进程可以继续执行；如果s<0，说明之前是s+1是小于1的，之前也就是0，说明没有可用资源，那么该进程会被阻塞并且被加入到等待队列中。

与之对应的是V操作

V操作：用于释放资源。其过程为，首先将信号量s的数值加1，表明释放一个资源。如果s>0，说明之前是大于-1的，即大于等于0的，说明没有等待的进程。而如果s<=0，说明之前一定小于0，那么有等待的进程，该进程释放资源以后，需要唤醒等待进程中的一个。

被唤醒的进程不需要再执行PV操作了。

（记忆PV操作信号量s的情况时，对于P操作，需要看看之前的值是否小于1，那么减一以后就是小于0，这个对应了等待的情况，所以有s小于0的case；对于V操作，需要看之前是否有小于0的情况，也就是加一小于1，即小于等于0的情况，说明之前有等待，需要唤醒）

2.互斥量

与信号量相关的另一概念是互斥量，可以看成是信号量的特例，即s初始化为1即可。假设现在有一段代码需要互斥，那么可以使用互斥量：

mutex = 1;P(mutex);临界区;V(mutex);

临界资源数目是1，如果要进入临界区，那么先要用P操作申请，使用完以后再执行V操作释放，需要时唤醒等待进程。

3.生产者与消费者问题：

这是多线程或者进程并发的经典问题，可以使用信号量解决。

这个问题的定义为，存在两种进程，生产者进程用于生产资源，消费者进程用于消费资源，资源存放在一个缓冲区中，生产者和消费者都需要与缓冲区打交道，生产者会放入，消费者会取出。显然这里有一些同步的条件：

（1）在同一时刻只能有一个进程进入缓冲区，因此需要一个互斥量；

（2）消费者只能在缓冲区中资源数目大于0时消费；

（3）生产者只能在缓冲区中资源数目不满时放入；

（2）和（3）需要利用到缓冲区中资源的数目，生产者需要得到剩余空间，可以使用empty信号量，初始化为N，即缓冲区的大小，因为开始时肯定全部空余；消费者需要得到产品数目信息，可以使用full信号量，初始化为0。那么进程函数为：

mutex = 1;full = 0;empty = N;produce(){    item = produceItem();    P(empty);    P(mutex);    put item;    V(mutex);    V(full);}consume(){    P(full);    P(mutex);    item = retrieveItem();    V(mutex);    V(empty);    consumeItem();}