信號量與管程也是進程間通信的方式。信號量是與鎖在同一層級實現(xiàn)的，是操作系統(tǒng)提供的一種協(xié)調(diào)共享資源訪問的方法。信號量由操作系統(tǒng)管理，操作系統(tǒng)作為管理者地位是高于進程的。

一、信號量

1、信號量（semaphore）：是操作系統(tǒng)提供的一種協(xié)調(diào)共享資源訪問的方法

①信號是一種抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

• 一個整型int（sem），可進行兩個原子操作
• P()： sem–，如果sem<0，等待，否則繼續(xù)，類似lock_acquire?
• V()： sem++，如果sem<=0，說明當(dāng)前有等著的，喚醒掛在信號量上的進程，可以是一個，可以是多個

②信號量的特性

• 信號量是被保護的整數(shù)變量。初始化完成后，只能通過P()V()操作修改；由操作系統(tǒng)保證，PV操作時原子操作。
• P()可能阻塞，V()不會阻塞
• 通常假定信號量是公平的，線程不會無線阻塞在P操作，可以假定信號量等待時按照先進先出排隊的。而自旋鎖是無法實現(xiàn)先進先出的，因為它需要占用CPU資源不停查詢鎖是否空閑，無法指定進入臨界區(qū)的順序。

2、信號量的實現(xiàn)

二、信號量使用

1、信號量分兩種類型：?

• 二進制信號量：約等于鎖，取值0 or 1?
• 資源信號量：資源數(shù)目任何非負值?
• 兩者其實是等價的，可以基于一個構(gòu)造出另一個

信號量的使用有兩種情況：

• 互斥訪問比如臨界區(qū)的互斥訪問控制、
• 條件同步比如線程間的條件等待。互斥訪問如下圖

3、生產(chǎn)者—消費者問題

生產(chǎn)者——>緩沖區(qū)——>消費者

①問題描述

• 一個或多個生產(chǎn)者在生成數(shù)據(jù)后放在一個緩沖區(qū)里；
• 單個消費者從緩沖區(qū)取出數(shù)據(jù)處理；
• 任何時刻只能有一個生產(chǎn)者或消費者可訪問緩沖區(qū)

②問題分析：

• 任何時刻只能有一個線程操作緩沖區(qū)（互斥訪問）；
• 緩沖區(qū)空時，消費者必須等待生產(chǎn)者（條件同步）；
• 緩沖區(qū)滿時，生產(chǎn)者必須等待消費者（條件同步）

③信號量描述各個約束

• 二進制信號量mutex
• 資源信號量fullBuffers
• 資源信號量emptyBuffers

如下圖是利用信號量實現(xiàn)的生產(chǎn)者消費者模型。生產(chǎn)者消費者模型的要求是同一時刻只能有一個生產(chǎn)者或消費者訪問緩沖區(qū)，生產(chǎn)者只能在緩沖區(qū)有空間時才能往里塞數(shù)據(jù)，消費者只有緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)時才能從里面消費數(shù)據(jù)。

三、管程

管程是一種用于多線程互斥訪問共享資源的程序結(jié)構(gòu)，采用面向?qū)ο蟮姆椒?#xff0c;簡化線程間的同步控制，保證任意時刻最多只有一個線程執(zhí)行管程代碼，管程與臨界區(qū)的區(qū)別是在管程中的線程可臨時放棄管程的互斥訪問，等待事件出現(xiàn)時恢復(fù)，而臨界區(qū)只有線程退出臨界區(qū)才能放棄互斥訪問。

管程與臨界區(qū)結(jié)構(gòu)上差別在于多了共享數(shù)據(jù)，共享數(shù)據(jù)作為條件變量，如果條件變量的數(shù)量為0則跟臨界區(qū)完全一樣。進入管程的線程因資源被占用而進入等待狀態(tài)，每個條件變量表示一種等待原因，對應(yīng)著一個等待隊列。管程最重要的兩個操作：wait()和Signal()，wait將自身阻塞在等待隊列中，喚醒一個等待者或釋放管程的互斥訪問，Signal操作將等待隊列中的一個線程喚醒，如果等待隊列為空，則等同空操作。

條件變量（condition variab）

條件變量是管程內(nèi)的等待機制：進入管程的線程因資源被占用而進入等待狀態(tài)；每個條件變量表示一種等待原因，對應(yīng)一個等待隊列；

wait() 操作：將自己阻塞在等待隊列中，喚醒一個等待者或釋放管程的互斥訪問；

signal()操作：將自己隊列中的一個線程喚醒；如果等待隊列為空，則等同空操作；

調(diào)用管程解決消費者生產(chǎn)者問題?

count記錄了當(dāng)前BUFFER的數(shù)據(jù)個數(shù)?

先在前后加鎖，因為要保證只有一個線程在臨界區(qū) lock在等待/睡眠的時候通過；lock->Acquire()管程進入和lock->Release()管程釋放；notfull.wait(&lock)釋放鎖。喚醒后獲得鎖。

2、管程條件變量的釋放處理方式

管程條件變量釋放處理方式有兩種如下圖。可以看到Hoare的管程方式是更符合實際使用效果的，但是Hansen管程實現(xiàn)方式少了一次進程上下文切換，因此真實OS中一般使用Hansen管程方式。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的清华大学《操作系统》（十八）：管程于信号量的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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