对操作系统中信号量问题的一点认识

摘要:本文针对目前操作系统中利用信号量解决进程间的同步和互斥的问题,系统地总结了解决问题的一般性规律。首先介绍了信号量的定义及在信号量上可以执行的两个操作,并分别详细说明了如何利用信号量实现进程间的同步和互斥,最后结合实例说明了这两种方法在实际问题中的具体运用。

关键词:信号量;同步;互斥

中图分类号:G642 文献标识码:B

在多道程序环境下,操作系统如何实现进程之间的同步和互斥显得极为重要。荷兰学者Dijkstra给出了一种解决并发进程间互斥与同步关系的通用方法,即信号量机制。他定义了一种名为“信号量”的变量,并且规定在这种变量上只能做所谓的P操作和V操作。现在,信号量机制已经被广泛地应用于单处理机和多处理机系统以及计算机网络中,这也是学习操作系统的重点和难点之一。本文就利用信号量实现进程间的同步和互斥问题进行了分析。

1引言

信号量是一个具有非负初值的整型变量,并且有一个队列与它关联。因此,定义一个信号量时,要给出它的初值,并给出与它相关的队列指针。信号量除初始化外,仅能通过P、V两个操作来访问,这两个操作都由原语组成,即在执行过程中不可被中断,也就是说,当一个进程在修改某个信号量时,没有其他进程可同时对该信号量进行修改。

信号量的定义如下:

type semaphore=record

/*定义信号量*/

begin

value:integer;/*整型变量*/

L:list of process;

/*与该信号量相关联的队列*/

end

P(S)操作可描述为:

procedure P(S)

var S: semaphore;

begin

S.value:=S.value-1;

/*信号量的值减1*/

if S.value

/*若信号量的值小于0,则阻塞执行该P操作的进程*/

end

当执行P(S)操作时,信号量S的值减1,如果S≥0,表示可以继续执行;如果S

V(S)操作可描述为:

procedure V(S)

var S: semaphore;

begin

S.value:=S.value+1;

if S.value≤0

then wakeup(S,L);

end

当执行V(S)操作时,信号量S的值加1,如果S≤0,则唤醒S信号量阻塞队列队首的阻塞进程,将其状态从阻塞状态转变为就绪状态,执行V操作的进程继续执行;如果S>0,则说明没有进程在该信号量的阻塞队列当中,因此,无需唤醒其他进程,该进程继续执行。

需要说明的是,信号量的初值一定是一个非负的整数,但是在运行过程中,信号量的值可正可负。

2利用信号量实现进程互斥

利用信号量实现进程互斥的进程可描述如下:

Var s:semaphore:=1;

/*设置信号量s的初值为1*/

begin

parbegin/*并发开始*/

process1:

begin

repeat

P(s);

critical section

V(s);

remainder section

until false;

end

process2:

begin

repeat

P(s);

critical section

V(s);

remainder section

until false;

end

parend

end

以上描述的是并发执行的两个进程process1和process2,这两个进程的临界区(critical section)对应的是一个临界资源,为了保证这两个进程能够互斥地使用临界资源,在每个进程的临界区前后分别加上对同一个信号量的P操作和V操作,就好象分别是关锁和开锁操作一样。我们将该信号量的初值设为1,无论哪一个进程先获得处理机,在进入临界区之前都要进行P操作,执行P操作后,信号量s的值为0,该进程可以继续执行;若该进程在临界区内失去处理机,而由另一个进程获得处理机执行时,执行的进程在进入临界区之前执行P操作时,信号量s的值就为-1,此时该进程就得阻塞,进入到信号量s的等待队列当中等待;当在临界区内的进程再次获得处理机继续执行后,退出临界区时,执行V操作,信号量s的值为0,此时它要去唤醒阻塞进程,然后继续执行或转进程调度。

用信号量实现进程互斥的特点:

(1)要找对临界区,范围小了会出错,范围大了会影响进程运行。

(2)P、V操作位于临界区前后,在一个进程里成对出现。

(3)2个进程对1个临界资源互斥使用时信号量初值为1,取值范围为-1,0,1。

(4) 当n个进程要互斥使用m个同类临界资源时(n>m),用信号量实现互斥时,信号量的初值应为m,即该类可用资源的数目。信号量的取值范围为-(n-m)~m。

(5) 当信号量s

(6) 当信号量s>0时,s表示还允许进入临界区的进程数,即剩下的临界资源个数)。

(7) 执行一次P(s)操作,表示请求一个临界资源,s-1后,当s

(8) 执行一次V(s)操作,表示释放一个临界资源,s+1后,若s

我们通过一个实例来进一步说明。有一个阅览室共100个座位,用一张表来管理它,每个表目记录座位号以及读者姓名。读者进入时要先在表上登记,退出时要注销登记。可以用信号量及其P、V操作来描述各个读者“进入”和“注销”工作之间的关系。

分析:由于一个座位在某一时刻只能分配给一个读者,所以对于多个读者来说,一个座位就是一个临界资源,100个座位即相当于此类临界资源有100个,可以设置一个信号量s1来管理座位,且其初始值为100。每个读者来后,首先要看看是否有座位,即对s1执行一次P操作,只要有座位,P操作后s1值大于等于0,此时就可以拿表来登记了。用一张表来管理这100个座位,每名读者进入或退出时都要在表上登记,并且每次只能有一个读者使用这张表,所以这一张表也相当于是临界资源,可以设置一个信号量s2来管理表格。所以一共要设置两个信号量分别用来管理这两类临界资源。

本例题的解决方法如下:

Vars1,s2:semaphore:=100,1;