信号量与PV操作

1.概念：

信号量(Semaphore)：有时被称为信号灯，是在多线程环境下使用的一种设施，是可以用来保证两个或多个关键代

码段不被并发调用。在进入一个关键代码段之前，线程必须获取一个信号量；一旦该关键代码段完成了，那么该线程必

须释放信号量。其它想进入该关键代码段的线程必须等待直到第一个线程释放信号量。为了完成这个过程，需要创建一

个信号量VI，然后将Acquire Semaphore VI以及Release Semaphore VI分别放置在每个关键代码段的首末端。确认这

些信号量VI引用的是初始创建的信号量。

2.问题描述

以一个停车场的运作为例。简单起见，假设停车场只有三个车位，一开始三个车位都是空的。这时如果同时来了五

辆车，看门人允许其中三辆直接进入，然后放下车拦，剩下的车则必须在入口等待，此后来的车也都不得不在入口处等

待。这时，有一辆车离开停车场，看门人得知后，打开车拦，放入外面的一辆进去，如果又离开两辆，则又可以放入两

辆，如此往复。在这个停车场系统中，车位是公共资源，每辆车好比一个线程，看门人起的就是信号量的作用。

3.特性

抽象的来讲，信号量的特性如下：信号量是一个非负整数（车位数），所有通过它的线程/进程（车辆）都会将

该整数减一（通过它当然是为了使用资源），当该整数值为零时，所有试图通过它的线程都将处于等待状态。在信号

量上我们定义两种操作：Wait（等待） 和 Release（释放）。当一个线程调用Wait操作时，它要么得到资源然后将

信号量减一，要么一直等下去（指放入阻塞队列），直到信号量大于等于一时。Release（释放）实际上是在信号量

上执行加1操作，对应于车辆离开停车场，该操作之所以叫做“释放”是因为释放了由信号量守护的资源。

一般来说，信号量S>=0时，S表示可用资源的数量。执行一次P操作意味着请求分配一个单位资源，因此S的值减1；当S<0时，表示已经没有可用资源，请求者必须等待别的进程释放该类资源，它才能运行下去。而执行一个V操作意味着释放一个单位资源，因此S的值加1；若S<0，表示有某些进程正在等待该资源，因此要唤醒一个等待状态的进程，使之运行下去。

4.PV操作

PV操作与信号量的处理相关，P表示通过的意思，V表示释放的意思。

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。对一个信号量变量可以进行两种原语操作：p操作和v操作，定义如下：

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）；执行此操作的进程的PCB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
s.value初值为1时，可以用来实现进程的互斥。
5.同步和互斥的概念
互斥：是指某一资源同时只允许一个访问者对其进行访问，具有唯一性和排它性。但互斥无法限制访问者对资源

的访问顺序，即访问是无序的。

同步：是指在互斥的基础上（大多数情况），通过其它机制实现访问者对资源的有序访问，更强调进程间的协作

，如同生产者消费者问题。

例题：

使用一个信号量协调6个进程对4个同类临界资源的访问，下列哪个信号量值不应该出现（）？

-4

-1

1

3

解答：A

举个例子：4个同类临界资源就相当于停车场的车位数，6个进程就相当于要进入到停车场的车辆数。如果有4辆车进

到停车场，那么这时候就没有空车位了，所以剩下的两辆车就要等待，此时的信号量为-2，所以，最小为-2