认识信号量机制、以及用信号量来实现进程互斥于进程同步
一、信号量机制
信号量机制是操作系统提供的一种高效同步工具，用户进程可以通过使用操作系统提供一对原语来对信号量进行操作，从而很方便的视线了进程互斥、进程同步。
1. 信号量
信号量本质是一个表示系统资源数量的变量，可以是整型或结构体（记录型）。它的核心作用是：
- 当表示 “资源” 时：值为当前可用资源的数量；
- 当用于 “同步” 时：值可表示进程间的执行顺序关系（如 “等待 - 唤醒” 信号）。
2. 一对原语---P、V 原语
对信号量的操作只有三种：初始化、P 操作（申请资源）、V 操作（释放资源），且 P、V 操作是原子操作（执行过程不可中断，避免并发漏洞）。
- P 操作：对应wait(S)原语，意为 “申请一个单位资源”；
- V 操作：对应signal(S)原语，意为 “释放一个单位资源”；
- 其中S是信号量变量，是操作的核心参数。
二、整型信号量
用一个整数型的变量作为信号量，用来表示系统中 某种资源的量
1. 定义与操作逻辑
以 “计算机系统有 1 台打印机” 为例，整型信号量的实现如下：
// 初始化：S=1，表示1台可用打印机
int S = 1;// P操作（申请资源）：进入区
void wait(int S) {while (S <= 0); // 资源不够时，循环等待（忙等）S = S - 1; // 资源足够，占用1个
}// V操作（释放资源）：退出区
void signal(int S) {S = S + 1; // 释放1个资源，归还系统
}2. 如何实现进程互斥？
以上述打印机为例，两个进程使用打印机的逻辑：
// 进程P0
wait(S); // 申请打印机（P操作）
使用打印机... // 临界区：唯一进程可进入
signal(S); // 释放打印机（V操作）// 进程P1
wait(S); // 若P0未释放，P1会卡在while循环
使用打印机...
signal(S);核心逻辑：通过 P 操作 “检查并占用资源”，V 操作 “释放资源”，确保同一时间只有一个进程进入临界区，实现互斥。
3. 致命缺陷：不满足 “让权等待”
整型信号量的最大问题是忙等（Busy Waiting）：当资源不足时，进程会在while (S <= 0)循环中持续检查，占用 CPU 却不做有用功，违背 “让权等待” 原则（进程无法获取资源时，应主动让出 CPU，避免资源浪费）。
⚠️ 易错点：整型信号量的 “忙等” 与自旋锁类似，但自旋锁是 “短时间等待” 优化，而整型信号量的忙等无时间限制，效率极低，实际系统中很少使用。
三、记录型信号量：解决整型信号量的 “忙等”问题
为了满足 “让权等待” 原则，操作系统引入记录型信号量—— 在整型基础上增加 “等待队列”，资源不足时让进程阻塞而非忙等，是实际系统中常用的信号量类型。
1. 定义：结构体存储资源与等待队列
记录型信号量是一个结构体，包含两个核心字段：
typedef struct {int value; // 剩余资源数量（核心）struct process *L; // 等待该资源的进程队列（解决忙等的关键）
} semaphore;2. P、V 操作逻辑
以 “系统有 2 台打印机” 为例（初始化S.value=2，S.L=NULL），操作逻辑如下：
（1）P 操作（申请资源）：先减后判断
void wait(semaphore S) {S.value--; // 先申请：资源数减1if (S.value < 0) { // 资源不足（负数绝对值=等待进程数）block(S.L); // 进程自我阻塞：从运行态→阻塞态，插入等待队列S.L}// 资源足够：直接进入临界区
}
- S.value--是 “先占坑”，避免多个进程同时申请导致资源计数错误；
- 当S.value < 0：说明当前资源已分配完，当前进程需阻塞，主动让出 CPU（满足 “让权等待”）；
- 例如：2 台打印机被 P0、P1 占用（S.value=0），P2 申请时S.value=-1，P2 阻塞，等待队列S.L=[P2]。
（2）V 操作（释放资源）：先加后判断
void signal(semaphore S) {S.value++; // 先释放：资源数加1if (S.value <= 0) { // 仍有进程在等待（负数→有等待，0→刚唤醒最后一个）wakeup(S.L); // 唤醒等待队列首进程：从阻塞态→就绪态}// 无进程等待：直接结束
}- S.value++是 “先归还”，更新资源计数；
- 当S.value <= 0：说明释放资源后仍有进程在等待（如S.value=-1→释放后S.value=0，需唤醒 1 个进程）；
- 例如：P0 释放打印机（S.value=-1+1=0），此时S.value<=0，唤醒等待队列的 P2，P2 进入就绪态。
3. 记录型信号量的优势
- 解决 “忙等”：资源不足时进程阻塞，让出 CPU，提高资源利用率；
- 支持多资源管理：可通过多个信号量分别管理不同类型资源（如打印机、内存、磁盘）；
- 灵活支持同步与互斥：既能实现 “同一资源互斥访问”，也能实现 “多进程按顺序执行”。
四、信号量的两大核心应用
信号量机制的核心价值，在于能灵活实现进程互斥和进程同步。
1. 应用 1：实现进程互斥
设置一个 “互斥信号量”mutex，初始化mutex=1（表示 “临界区可用”），在所有进程的 “临界区前后” 分别执行 P、V 操作。
示例：两个进程共享一个缓冲区
// 初始化互斥信号量：mutex=1
semaphore mutex = {1, NULL};// 进程A
P(mutex); // 申请进入临界区（互斥）
写入数据到缓冲区... // 临界区
V(mutex); // 释放临界区// 进程B
P(mutex); // 若A未释放，B会阻塞
从缓冲区读取数据... // 临界区
V(mutex);关键点：
- 互斥信号量mutex的初值必须为 1；
- 每个进程的临界区必须被 “P (mutex)” 和 “V (mutex)” 包围，且不能遗漏（否则会导致互斥失效）。
2. 应用 2：实现进程同步
设置 “同步信号量”S，初始化S=0（表示 “初始时需等待”），在 “需要等待的进程” 后执行 P 操作，在 “触发等待进程的进程” 后执行 V 操作，强制进程按顺序执行。
示例：进程 A 必须在进程 B 之后执行（B 先输出 “Hello”，A 再输出 “World”）
// 初始化同步信号量：S=0（A需等待B的信号）
semaphore S = {0, NULL};// 进程B
printf("Hello "); // B的任务
V(S); // 释放信号，通知A“可以执行”// 进程A
P(S); // 等待B的信号（S初始为0，A会阻塞，直到B执行V(S)）
printf("World"); // A的任务，确保在B之后执行关键点：
- 同步信号量S的初值根据执行顺序设定（通常为 0，表示 “先执行的进程需触发后执行的进程”）；
- P 操作放在 “需要等待的进程” 的关键节点前，V 操作放在 “触发等待的进程” 的关键节点后。
五、核心总结
知识点 | 关键内容 |
信号量核心操作 | P（S）：申请资源（S--，<0 则阻塞）；V（S）：释放资源（S++，<=0 则唤醒） |
整型信号量缺陷 | 不满足 “让权等待”，存在忙等 |
记录型信号量优势 | 有等待队列，资源不足时进程阻塞，满足让权等待 |
原子操作的意义 | 避免 P/V 操作被中断，防止信号量值混乱（如多个进程同时执行 S-- 导致计数错误） |
六、与互斥锁的对比：何时选信号量？
上一篇的互斥锁和本篇的信号量都能实现进程互斥，但适用场景不同：
维度 | 互斥锁 | 信号量 |
核心功能 | 仅实现临界区互斥 | 可实现互斥 + 同步 + 多资源管理 |
资源类型 | 单一种类资源（如一把锁） | 多种资源（多个信号量） |
等待机制 | 阻塞等待（传统互斥锁） | 阻塞等待（记录型） |
适用场景 | 简单共享资源竞争（如单缓冲区） | 复杂进程协作（如生产者 - 消费者、读者 - 写者） |