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用信号量实现进程互斥，进程同步，进程前驱关系（操作系统os）

news 2025/7/14 12:58:17

用一个大家都很熟悉的场景来贯穿这三种应用：准备一场团队聚餐。

进程：团队里的每个成员（小明、小红、小刚等）。
任务：买菜、洗菜、切菜、炒菜、摆碗筷等。

1. 用信号量实现进程互斥 - “厨房只有一个灶台，大家轮流用”

在我们的聚餐准备中，灶台就是那个最关键的临界资源，一次只能有一个人炒菜。如果小明和小红同时去炒菜，那锅就得飞起来了。

实现步骤：
1. 划定临界区：找到那段必须互斥执行的代码，也就是“炒菜”这个动作。
2. 设定互斥信号量：我们引入一个专门用于“灶台使用权”的信号量，叫 mutex_stove，它的初始值设为 1。这个1就代表“当前有1个可用的灶台名额”。
3. 在临界区前后加上P、V操作：
  - 任何一个人想炒菜（进入临界区）之前，必须先执行 P(mutex_stove)。这个P操作的意思是“申请一个灶台名额”。如果名额有（value从1变0），就进去炒。如果名额没了（value从0变-1），就去旁边等着（阻塞）。
  - 炒完菜（退出临界区）之后，必须立刻执行 V(mutex_stove)。这个V操作的意思是“归还灶台名额”。这会让value加1，如果有人在等，就能把他唤醒。

代码框架：

semaphore mutex_stove = 1; // 互斥信号量，初值为1Process_小明() {...P(mutex_stove); // 申请使用灶台// --- 临界区开始 ---炒菜();// --- 临界区结束 ---V(mutex_stove); // 释放灶台...
}Process_小红() {...P(mutex_stove); // 申请使用灶台// --- 临界区开始 ---炒菜();// --- 临界区结束 ---V(mutex_stove); // 释放灶台...
}

关键点：
- 互斥信号量的初始值永远是1。
- P、V操作必须成对出现。忘了P，大家就一起冲进去炒菜了；忘了V，第一个用完灶台的人就把门锁死，谁也别想再用了。

2. 用信号量实现进程同步 - “必须先洗完菜，才能切菜”

现在，我们有了更复杂的协作要求。团队里，小明负责洗菜，小红负责切菜。这个顺序是绝对不能乱的，你不能切一堆带着泥的土豆。

实现步骤：
1. 分析制约关系：明确哪个动作是“前操作”（洗菜），哪个是“后操作”（切菜）。
2. 设定同步信号量：我们引入一个专门用于“洗菜完成”这个信号的信号量，叫 vegetable_washed，它的初始值设为 0。这个0代表“默认情况下，菜还没洗好”。
3. 遵循“前V后P”原则：
  - 前操作之后，执行V操作：小明洗完菜后，他要“吼一嗓子”，告诉大家菜洗好了。这个动作就是 V(vegetable_washed)。它会把信号量value从0变成1，表示“有1份洗好的菜可以用了”。
  - 后操作之前，执行P操作：小红在准备切菜之前，她必须先等待“菜洗好了”这个信号。这个动作就是 P(vegetable_washed)。如果信号量是0（菜没洗好），她就会在这里被阻塞。直到小明执行了V操作，信号量变成1，她才能通过P操作，开始切菜。

代码框架：

semaphore vegetable_washed = 0; // 同步信号量，初值为0Process_小明() { // 前驱进程...洗菜();V(vegetable_washed); // 发出“菜已洗好”的信号...
}Process_小红() { // 后继进程...P(vegetable_washed); // 等待“菜已洗好”的信号切菜();...
}

关键点：
- 同步信号量的初始值通常是0。
- 记住这个口诀：“前V后P”。前驱任务做完后V，后继任务开始前P。

3. 用信号量实现前驱关系 - “复杂的流水线作业”

现在，我们的聚餐准备工作形成了一个复杂的流程图（前驱图）：

S1: 买菜
S2: 洗菜 (必须等S1完成)
S3: 洗锅 (必须等S1完成)
S4: 切菜 (必须等S2完成)
S5: 准备调料 (必须等S3完成)
S6: 炒菜 (必须等S4和S5都完成)

这本质上就是一连串的同步问题。

实现步骤：
- 为每一对直接制约关系设立一个同步信号量。
  - S1 -> S2：需要一个信号量 s12
  - S1 -> S3：需要一个信号量 s13
  - S2 -> S4：需要一个信号量 s24
  - S3 -> S5：需要一个信号量 s35
  - S4 -> S6：需要一个信号量 s46
  - S5 -> S6：需要一个信号量 s56
- 所有这些同步信号量的初始值都设为 0。
- 对每一条“弧线”，都应用“前V后P”原则。

代码框架（重点看S1, S6）：

// 声明所有需要的同步信号量，初值都为0
semaphore s12=0, s13=0, s24=0, s35=0, s46=0, s56=0;S1_买菜() {买菜();V(s12); // 通知S2可以开始了V(s13); // 通知S3可以开始了
}// ... S2, S3, S4, S5 的代码省略，都是标准的前V后P ...S6_炒菜() {P(s46); // 等待S4（切菜）完成P(s56); // 等待S5（备调料）完成炒菜();
}

关键点：
- 一个任务有多少个直接后继，它后面就要跟多少个V操作。
- 一个任务有多少个直接前驱，它前面就要有多少个P操作。

必会题与详解

题目一：在使用信号量实现进程互斥时，为什么互斥信号量mutex的初始值必须是1？如果设为0或2会发生什么？

答案详解：

互斥信号量mutex的值代表“允许进入临界区的名额数量”。

初始值必须是1：因为我们希望在任何时候，最多只允许一个进程进入临界区。初始值为1，表示一开始有1个名额。第一个进程执行P操作后，mutex变为0，名额用完。其他进程再执行P操作就会被阻塞，从而保证了互斥。
如果设为0：表示一开始就没有任何名额。那么第一个到达的进程执行P(mutex)时，mutex会从0变为-1，该进程会被立即阻塞。结果就是没有任何进程能够进入临界区，系统陷入死锁。
如果设为2：表示一开始有2个名额。第一个进程执行P(mutex)后，mutex变为1。第二个进程执行P(mutex)后，mutex变为0。这意味着系统将允许两个进程同时进入临界区，这完全违背了“互斥”的初衷，会导致对临界资源的访问发生混乱。

题目二：在实现“进程A执行完代码a1后，进程B才能执行代码b1”这一同步关系时，同步信号量S的初始值应该是什么？P(S)和V(S)应该分别放在哪个位置？请解释原因。

答案详解：

初始值：同步信号量S的初始值应该设为 0。这代表一个“消息”或“事件”的初始状态是“未发生”。在这里，它表示“进程A的代码a1尚未完成”。
P、V操作的位置：
- V(S) 应该放在进程A的代码a1之后。
- P(S) 应该放在进程B的代码b1之前。
原因（遵循“前V后P”原则）：
- 进程B是后继进程，它依赖于进程A的完成。因此，B在执行b1前必须“等待”一个信号，这个等待动作就是P(S)。由于S初始为0，进程B会在此处阻塞，直到S的值变为正数。
- 进程A是前驱进程，它在完成a1后，有责任“发送”一个信号来通知B可以继续了。这个发送信号的动作就是V(S)。它会使S的值从0变为1，从而唤醒正在等待P(S)的进程B，使得B可以越过P操作，继续执行b1。这个机制保证了正确的执行顺序。