信號(hào)量與管程也是進(jìn)程間通信的方式。信號(hào)量是與鎖在同一層級(jí)實(shí)現(xiàn)的，是操作系統(tǒng)提供的一種協(xié)調(diào)共享資源訪問(wèn)的方法。信號(hào)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(jìn)程的。

一、信號(hào)量

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

①信號(hào)是一種抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

• 一個(gè)整型int（sem），可進(jìn)行兩個(gè)原子操作
• P()： sem–，如果sem<0，等待，否則繼續(xù)，類(lèi)似lock_acquire?
• V()： sem++，如果sem<=0，說(shuō)明當(dāng)前有等著的，喚醒掛在信號(hào)量上的進(jìn)程，可以是一個(gè)，可以是多個(gè)

②信號(hào)量的特性

• 信號(hào)量是被保護(hù)的整數(shù)變量。初始化完成后，只能通過(guò)P()V()操作修改；由操作系統(tǒng)保證，PV操作時(shí)原子操作。
• P()可能阻塞，V()不會(huì)阻塞
• 通常假定信號(hào)量是公平的，線程不會(huì)無(wú)線阻塞在P操作，可以假定信號(hào)量等待時(shí)按照先進(jìn)先出排隊(duì)的。而自旋鎖是無(wú)法實(shí)現(xiàn)先進(jìn)先出的，因?yàn)樗枰加肅PU資源不停查詢鎖是否空閑，無(wú)法指定進(jìn)入臨界區(qū)的順序。

2、信號(hào)量的實(shí)現(xiàn)

二、信號(hào)量使用

1、信號(hào)量分兩種類(lèi)型：?

• 二進(jìn)制信號(hào)量：約等于鎖，取值0 or 1?
• 資源信號(hào)量：資源數(shù)目任何非負(fù)值?
• 兩者其實(shí)是等價(jià)的，可以基于一個(gè)構(gòu)造出另一個(gè)

信號(hào)量的使用有兩種情況：

• 互斥訪問(wèn)比如臨界區(qū)的互斥訪問(wèn)控制、
• 條件同步比如線程間的條件等待?；コ庠L問(wèn)如下圖

3、生產(chǎn)者—消費(fèi)者問(wèn)題

生產(chǎn)者——>緩沖區(qū)——>消費(fèi)者

①問(wèn)題描述

• 一個(gè)或多個(gè)生產(chǎn)者在生成數(shù)據(jù)后放在一個(gè)緩沖區(qū)里；
• 單個(gè)消費(fèi)者從緩沖區(qū)取出數(shù)據(jù)處理；
• 任何時(shí)刻只能有一個(gè)生產(chǎn)者或消費(fèi)者可訪問(wèn)緩沖區(qū)

②問(wèn)題分析：

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

③信號(hào)量描述各個(gè)約束

• 二進(jìn)制信號(hào)量mutex
• 資源信號(hào)量fullBuffers
• 資源信號(hào)量emptyBuffers

如下圖是利用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)者消費(fèi)者模型。生產(chǎn)者消費(fèi)者模型的要求是同一時(shí)刻只能有一個(gè)生產(chǎn)者或消費(fèi)者訪問(wèn)緩沖區(qū)，生產(chǎn)者只能在緩沖區(qū)有空間時(shí)才能往里塞數(shù)據(jù)，消費(fèi)者只有緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)時(shí)才能從里面消費(fèi)數(shù)據(jù)。

三、管程

管程是一種用于多線程互斥訪問(wèn)共享資源的程序結(jié)構(gòu)，采用面向?qū)ο蟮姆椒?#xff0c;簡(jiǎn)化線程間的同步控制，保證任意時(shí)刻最多只有一個(gè)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(shí)放棄管程的互斥訪問(wèn)，等待事件出現(xiàn)時(shí)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(wèn)。

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(jìn)入管程的線程因資源被占用而進(jìn)入等待狀態(tài)，每個(gè)條件變量表示一種等待原因，對(duì)應(yīng)著一個(gè)等待隊(duì)列。管程最重要的兩個(gè)操作：wait()和Signal()，wait將自身阻塞在等待隊(duì)列中，喚醒一個(gè)等待者或釋放管程的互斥訪問(wèn)，Signal操作將等待隊(duì)列中的一個(gè)線程喚醒，如果等待隊(duì)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(jī)制：進(jìn)入管程的線程因資源被占用而進(jìn)入等待狀態(tài)；每個(gè)條件變量表示一種等待原因，對(duì)應(yīng)一個(gè)等待隊(duì)列；

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

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

調(diào)用管程解決消費(fèi)者生產(chǎn)者問(wèn)題?

count記錄了當(dāng)前BUFFER的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)?

先在前后加鎖，因?yàn)橐ＷC只有一個(gè)線程在臨界區(qū) lock在等待/睡眠的時(shí)候通過(guò)；lock->Acquire()管程進(jìn)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?？梢钥吹紿oare的管程方式是更符合實(shí)際使用效果的，但是Hansen管程實(shí)現(xiàn)方式少了一次進(jìn)程上下文切換，因此真實(shí)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?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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