日本综艺节目胸识人:信号量

信号量是最早出现的用来解决进程同步与互斥问题的机制，
包括一个称为信号量的变量及对它进行的两个原语操作。
本节将从以下几个方面进行介绍--
一. 信号量的概念
1． 信号量的类型定义
每个信号量至少须记录两个信息：信号量的值和等待该信号量的进程队列。它的类型定义如下：（用类PASCAL语言表述）
semaphore = record
value: integer;
queue: ^PCB;
end;
其中PCB是进程控制块，是操作系统为每个进程建立的数据结构。
s.value>=0时，s.queue为空；
s.value<0时，s.value的绝对值为s.queue中等待进程的个数；
 
2． PV原语
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。
p操作和v操作是不可中断的程序段，称为原语。如果将信号量看作共享变量，则pv操作为其临界区，多个进程不能同时执行，一般用硬件方法保证。一个信号量只能置一次初值，以后只能对之进行p操作或v操作。
由此也可以看到，信号量机制必须有公共内存，不能用于分布式操作系统，这是它最大的弱点。
 
二. 实例
1． 生产者-消费者问题（有buffer）
问题描述：
一个仓库可以存放K件物品。生产者每生产一件产品，将产品放入仓库，仓库满了就停止生产。消费者每次从仓库中去一件物品，然后进行消费，仓库空时就停止消费。
解答：
进程：Producer - 生产者进程，Consumer - 消费者进程
共有的数据结构：
buffer: array [0..k-1] of integer;
in,out: 0..k-1;
— in记录第一个空缓冲区，out记录第一个不空的缓冲区
s1,s2,mutex: semaphore;
— s1控制缓冲区不满,s2控制缓冲区不空,mutex保护临界区；
初始化s1=k,s2=0,mutex=1
producer（生产者进程）：
Item_Type item;
{
while (true)
{
produce(&item);
p(s1);
p(mutex);
buffer[in]:=item;
in:=(in+1) mod k;
v(mutex);
v(s2);
}
}
consumer（消费者进程）：
Item_Type item;
{
while (true)
{
p(s2);
p(mutex);
item:=buffer[out];
out:=(out+1) mod k;
v(mutex);
v(s1);
consume(&item);
}
}
 
2． 第一类读-写者问题
问题描述：
一些读者和一些写者对同一个黑板进行读写。多个读者可同时读黑板，但一个时刻只能有一个写者，读者写者不能同时使用黑板。对使用黑板优先级的不同规定使读者-写者问题又可分为几类。第一类问题规定读者优先级较高，仅当无读者时允许写者使用黑板。
解答：
进程：writer - 写者进程，reader - 读者进程
共有的数据结构：
read_account:integer;
r_w,mutex: semaphore;
— r_w控制谁使用黑板,mutex保护临界区，初值都为1
reader - (读者进程）：
{
while (true)
{
p(mutex);
read_account++;
if(read_account=1) p(r_w);
v(mutex);
read();
p(mutex);
read_account--;
if(read_account=0) v(r_w);;
v(mutex);
}
}
writer - (写者进程）：
{
while (true)
{
p(mutex);
write();
v(mutex);
}
}
 
3． 哲学家问题
问题描述：
一个房间内有5个哲学家，他们的生活就是思考和进食。房间里有一张圆桌，中间放着一盘通心粉（假定通心粉无限多）。桌子周围放有五把椅子，分别属于五位哲学家每两位哲学家之间有一把叉子，哲学家进食时必须同时使用左右两把叉子。
解答：
进程：philosopher - 哲学家
共有的数据结构&过程：
state: array [0..4] of (think,hungry,eat);
ph: array [0..4] of semaphore;
— 每个哲学家有一个信号量，初值为0
mutex: semaphore;
— mutex保护临界区，初值=1
procedure test(i:0..4);
{
if ((state[i]=hungry) and (state[(i+1)mod 5]<>eating)
and (state[(i-1)mod 5]<>eating))
{ state[i]=eating;
V(ph[i]);
}
}
philosopher(i:0..4)：
{
while (true)
{
think();
p(mutex);
state[i]=hungry;
test(i);
v(mutex);
p(ph[i]);
eat();
p(mutex);
state[i]=think;
test((i-1) mod 5);
test((i+1) mod 5);
v(mutex);
}
}