操作系统原理（十）之信号量与管程

操作系统原理

信号量也是实现同步互斥的方法之一。

定义

• 信号量是操作系统提供的一种协调共享资源访问的方法。用信号量表示系统资源的数量。
• 信号量是一种抽象的数据类型
  由一个整型（sem）变量和两个原子操作组成

P()（Prolaag（荷兰语尝试减少）） 
    sem减1
    如sem<0，进入等待，否则继续
V()（Verhoog（荷兰语增加）） 
    sem加1
    如sem<=0，唤醒一个等待进程

特性

• 信号量是被保护的整数变量
  初始化完成后，只能通过P()和V()操作修改
  由操作系统保证，PV操作是原子操作
• P()可能阻塞，V()不会阻塞
• 通常假定信号量是“公平的”
  线程不会被无限期阻塞在P()操作
  假定信号量等待按先进先出排队
  自旋锁是做不到先进先出的，因为自旋锁需要占用CPU随时地去查，有可能临界区使用者退出的时候它刚查完，下一个进入者是谁去查它就能进去

分类

• 信号量：资源数目为0或1
• 资源信号量：资源数目为任何非负值

二者之间的关系：等价，基于一个可以实现另一个

使用

• 互斥访问 ：临界区的互斥访问控制
• 条件同步 ：线程间的事件等待

信号量实现同步互斥.

• 每类资源设置一个信号量，其初值为1
• 必须成对使用P()和V()操作
  P()操作保证互斥访问临界资源
  V()操作在使用后释放临界资源
  PV操作不能次序错误、重复或遗漏

信号量实现条件同步

• 条件同步设置一个信号量，其初值为0
• 条件等待：线程A要等待线程B执行完X模块才能执行N模块
  假设B先执行完X，此时信号量变成1，则N能直接往下执行
  假设A先执行完M，此时信号量变成-1，阻塞，进入等待状态，然后进程B进行V操作，释放，此时信号量为0。若信号量小于或等于0，则说明有线程在等待，此时唤醒等待中的线程A，执行N模块

使用瓶颈

• 读/开发代码比较困难
  程序员需要能运用信号量机制
• 容易出错
  使用的信号量已经被另一个线程占用
  忘记释放信号量
• 不能够处理死锁问题

管程

组成

• 一个锁 + 0个或多个条件变量
• 锁 = 控制管程代码的互斥访问
• 0个或多个条件变量 = 0个等同于临界区，管理共享数据的并发访问

定义

管程是一种用于多线程互斥访问共享资源的程序结构 ， 采用面向对象方法，简化了线程的同步机制， 任一时刻最多只有一个线程执行管理代码，正在管程中的线程可临时放弃管理的互斥访问，等待事件出现时恢复

条件变量（Condition Variable）

条件变量是管程内的等待机制
进入管程的线程因资源被占用而进入等待状态
每个条件变量表示一种等待原因，对应一个等待队列

• Wait()操作
  将自己阻塞在等待队列中
  唤醒一个等待着或释放管程的互斥访问
• Signal()操作
  将等待队列中的一个线程唤醒
  如果等待队列为空，则等同空操作

Hansen 管程和Hoare 管程

Hansen 管程

• 主要用于真实操作系统和Java中
• 当前正在执行的线程优先级更高
• 效率更高，少了一次切换

Hoare 管程

• 主要见于教材
• 内部的线程优先执行
• 优先角度考虑更合理，更容易证明正确性