信号量(semaphore)详解

定义

是用于进程之间传递信息的一个整数值，于1965年由 Dijkstra 提出。定义如下：

struct semaphore {
  int count;  // 需要传递的整数值
  queueType q;  // 进程队列
}

这是一个非常难以理解的概念。

使用

只能实施三种操作。即 初始化，P操作，V操作。P、V操作都是原子操作。可以认为，P操作即消耗资源，V操作即释放资源，两者必须成对使用。在P操作和V操作之间是临界区。

• P操作
  P操作使信号量的值减1，假设某个进程 A 使用了P操作，消耗一个资源。当资源数小于0时，由于无资源可用，进程阻塞等待，让出CPU资源。

P(struct semaphore& s) {
  s.count--;
  if (s.count < 0) {
    // 1. 设置 A 为阻塞状态
    // 2. 将该进程插入相应的等待队列 s.q 的末尾
    // yield()让出CPU重新调度
  }
}

• V操作
  V操作使信号量的值加1，假设某个进程 B 使用了V操作，释放了一个资源，则如果信号量 s.count < 0，则说明还有进程在等待资源。此时可以唤醒一个等待状态的进程。

V(struct semaphore& s) {
  s.count++;
  if (s.count <= 0) {
    // 1. 唤醒等待队列 s.q 中等待的一个进程
    // 2. 改变其状态为就绪态，并将其插入就绪队列
  }
}

常见误解

1. 如果说 s.count < 0 代表无可用资源，那为什么 V 操作还会唤醒等待队列 s.q 中的进程，可以执行吗？
   s.q 中的进程是经历了 P 操作的进程，也就是说当被唤醒后，无需再判断 s.count < 0，而是直接往下执行。因此这样做是没有问题的。
   想象一个情况，有4个进程 A, B, C, D 请求仅有1个的资源，都进行 P 操作，最后 s.count = -3，假设A拿到资源。A执行完后进行V操作释放资源，s.count = -2，此时显然资源是有的，唤醒阻塞队列中的进程即可继续执行。

因此，说 s.count < 0 代表无可用资源并不准确，它只是代表一个供小于求的状态。

参考

1. 某博客
2. 操作系统课程视频