描述
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以一个停车场的运作为例。简单起见，假设停车场只有三个车位，一开始三个车位都是空的。这时如果同时来了五辆车，看门人允许其中三辆直接进入，然后放下车拦，剩下的车则必须在入口等待，此后来的车也都不得不在入口处等待。这时，有一辆车离开停车场，看门人得知后，打开车拦，放入外面的一辆进去，如果又离开两辆，则又可以放入两辆，如此往复。
在这个停车场系统中，车位是公共资源，每辆车好比一个线程，看门人起的就是信号量的作用。
分类
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整型信号量（integer semaphore)：信号量是整数
记录型信号量（record semaphore)：每个信号量s除一个整数值s.value（计数）外，还有一个进程等待队列s.L，其中是阻塞在该信号量的各个进程的标识
二进制信号量(binary semaphore)：只允许信号量取0或1值
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；
特性
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抽象的来讲，信号量的特性如下：信号量是一个非负整数（车位数），所有通过它的线程/进程（车辆）都会将该整数减一（通过它当然是为了使用资源），当该整数值为零时，所有试图通过它的线程都将处于等待状态。在信号量上我们定义两种操作： Wait（等待） 和 Release（释放）。当一个线程调用Wait操作时，它要么得到资源然后将信号量减一，要么一直等下去（指放入阻塞队列），直到信号量大于等于一时。Release（释放）实际上是在信号量上执行加操作，对应于车辆离开停车场，该操作之所以叫做“释放”是因为释放了由信号量守护的资源。
操作方式
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对信号量有4种操作(include<semaphore>)：
1. 初始化（initialize），也叫做建立（create） int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value)
2. 等信号（wait），也可叫做挂起（suspend）int sem_wait(sem_t *sem)
3. 给信号（signal）或发信号（post） int sem_post（sem_t *sem）
4.清理（destroy） int sem_destory(sem_t *sem)[1]
创建
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同共享内存一样，系统中同样需要为信号量集定制一系列专有的操作函数（semget，semctl等）。系统命令ipcs可查看当前的系统IPC的状态，在命令后使用-s参数。使用函数semget可以创建或者获得一个信号量集ID，函数原型如下：
#include <sys/shm.h>
int semget( key_t key, int nsems, int flag)
函数中参数key用来变换成一个标识符，每一个IPC对象与一个key相对应。当新建一个共享内存段时，使用参数flag的相应权限位对ipc_perm结构中的mode域赋值，对相应信号量集的shmid_ds初始化的值如表1所示。
shmid_ds结构初始化值表
ipc_perm结构数据
初 值
ipc_perm结构数据
初 值
Sem_otime
0
Sem_nsems
Nsems
Sem_ctime
系统当前值
参数nsems是一个大于等于0的值，用于指明该信号量集中可用资源数（在创建一个信号量时）。当打开一个已存在的信号量集时该参数值为0。函数执行成功，则返回信号量集的标识符（一个大于等于0的整数），失败，则返回–1。函数semop用以操作一个信号量集，函数原型如下：
#include <sys/sem.h>
int semop( int semid, struct sembuf semoparray[], size_t nops )
函数中参数semid是一个通过semget函数返回的一个信号量标识符，参数nops标明了参数semoparray所指向数组中的元素个数。参数semoparray是一个struct sembuf结构类型的数组指针，结构sembuf来说明所要执行的操作，其定义如下：
struct sembuf{
unsigned short sem_num
short sem_op
short sem_flg
}
在sembuf结构中，sem_num是相对应的信号量集中的某一个资源，所以其值是一个从0到相应的信号量集的资源总数（ipc_perm.sem_nsems）之间的整数。sem_op指明所要执行的操作，sem_flg说明函数semop的行为。sem_op的值是一个整数，如表2所示，列出了详细sem_op的值及所对应的操作。
sem_op值详解
Sem_op
操 作
正数
释放相应的资源数，将sem_op的值加到信号量的值上
0
进程阻塞直到信号量的相应值为0，当信号量已经为0，函数立即返回。如果信号量的值不为0，则依据sem_flg的IPC_NOWAIT位决定函数动作。sem_flg指定IPC_NOWAIT，则semop函数出错返回EAGAIN。sem_flg没有指定IPC_NOWAIT，则将该信号量的semncnt值加1，然后进程挂起直到下述情况发生。信号量值为0，将信号量的semzcnt的值减1，函数semop成功返回；此信号量被删除（只有超级用户或创建用户进程拥有此权限），函数smeop出错返回EIDRM；进程捕捉到信号，并从信号处理函数返回，在此情况将此信号量的semncnt值减1，函数semop出错返回EINTR
负数
请求sem_op的绝对值的资源。如果相应的资源数可以满足请求，则将该信号量的值减去sem_op的绝对值，函数成功返回。当相应的资源数不能满足请求时，这个操作与sem_flg有关。sem_flg指定IPC_NOWAIT，则semop函数出错返回EAGAIN。sem_flg没有指定IPC_NOWAIT，则将该信号量的semncnt值加1，然后进程挂起直到下述情况发生：当相应的资源数可以满足请求，该信号的值减去sem_op的绝对值。成功返回；此信号量被删除（只有超级用户或创建用户进程拥有此权限），函数smeop出错返回EIDRM：进程捕捉到信号，并从信号处理函数返回，在此情况将此信号量的semncnt值减1，函数semop出错返回EINTR
基本流程
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下面实例演示了关于信号量操作的基本流程。程序中使用semget函数创建一个信号量集，并使用semop函数在这个信号集上执行了一次资源释放操作。并在shell中使用命令查看系统IPC的状态。
（1）在vi编辑器中编辑该程序。
程序清单14-10 create_sem.c 使用semget函数创建一个信号量
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main( void )
{
int sem_id
int nsems = 1
int flags = 0666
struct sembuf buf
sem_id = semget(IPC_PRIVATE, nsems, flags)/*创建一个新的信号量集*/
if ( sem_id <0 ){
perror( "semget ")
exit (1 )
}
/*输出相应的信号量集标识符*/
printf ( "successfully created a semaphore : %d\n", sem_id )
buf.sem_num = 0/*定义一个信号量操作*/
buf.sem_op = 1/*执行释放资源操作*/
buf.sem_flg = IPC_NOWAIT/*定义semop函数的行为*/
if ( (semop( sem_id, &buf, nsems) ) <0) { /*执行操作*/
perror ( "semop")
exit (1 )
}
system ( "ipcs -s " )/*查看系统IPC状态*/
exit ( 0 )
}
（2）在vmware中编译该程序如下：
gcc -o a.o testc_semaphore.c
（3）在shell中运行该程序如下：
./a3.o
successfully created a semaphore : 0
------ Semaphore Arrays --------
key semid owner perms nsems
0x00000000 0 zcr 666 1
在上面程序中，用semget函数创建了一个信号量集，定义信号量集的资源数为1，接下来使用semop函数进行资源释放操作。在程序的最后使用shell命令ipcs来查看系统IPC的状态。
%注意：命令ipcs参数-s标识查看系统IPC的信号量集状态。
希望能帮到你，满意望采纳哦。
表示无可用的资源。当sem等于零时，表示无可用的资源，也没有阻塞的线程。
信号量sem是一整数，sem大于等于零时代表可供并发进程使用的资源实体数，但sem小于零时则表示正在等待使用临界区的进程数。
在操作系统理论中有一个非常重要的概念叫做P,V原语。在我们研究进程间的互斥的时候经常会引入这个概念，将P,V操作方法与加锁的方法相比较，来解决进程间的互斥问题。实际上，他的应用范围很广，他不但可以解决进程管理当中的互斥问题，而且我们还可以利用此方法解决进程同步与进程通信的问题。[一]P,V原语理论
阐述P,V原语的理论不得不提到的一个人便是赫赫有名的荷兰科学家E.W.Dijkstra。如果你对这位科学家没有什么印象的话，提起解决图论中最短路径问题的Dijkstra算法应当是我们再熟悉不过的了。P,V原语的概念以及P,V操作当中需要使用到的信号量的概念都是由他在1965年提出的。
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。信号量为一个整数，我们设这个信号量为：sem。很显然，我们规定在sem大于等于零的时候代表可供并发进程使用的资源实体数，sem小于零的时候，表示正在等待使用临界区的进程的个数。根据这个原则，在给信号量附初值的时候，我们显然就要设初值大于零。
p操作和v操作是不可中断的程序段，称为原语。P,V原语中P是荷兰语的Passeren，相当于英文的pass, V是荷兰语的Verhoog,相当于英文中的incremnet。
P原语操作的动作是：
（1） sem减1；
（2） 若sem减1后仍大于或等于零，则进程继续执行；
（3） 若sem减1后小于零，则该进程被阻塞后进入与该信号相对应的队列中，然后转进程调度。
V原语操作的动作是：
（1） sem加1；
（2） 若相加结果大于零，则进程继续执行；
（3） 若相加结果小于或等于零，则从该信号的等待队列中唤醒一等待进程，然后再返回原进程继续执行或转进程调度。
需要提醒大家一点就是P,V操作对于每一个进程来说，都只能进行一次。而且必须成对使用。且在P,V愿语执行期间不允许有中断的发生。
对于具体的实现，方法非常多，可以用硬件实现，也可以用软件实现。我们采用如下的定义：
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)执行此操作的进程控制块进入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
对于这个过程，s.value初值为1时，用来实现进程的互斥。
虽软说信号量机制毕加锁方法要好得多，但是也不是说它没有任何的缺陷。由此我们也可以清晰地看到，这种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]P,V原语的应用
正如我们在文中最开始的时候提到的，P,V原语不但可以解决进程管理当中的互斥问题，而且我们还可以利用此方法解决进程同步与进程通信的问题。
（1）用P V原语实现进程互斥
把临界区置于P(sem) 和V(sem)之间。当一个进程想要进入临界区时，它必须先执行P原语操作以将信号量sem减1，在进程完成对临界区的操作后，它必须执行V原语操作以释放它所占用的临界区。从而就实现了进程的互斥：
具体的过程我们可以简单的描述如下：
PA:
P(sem)
<S>
V(sem)
PB:
P(sem)
<S>
V(sem)
(2) 用P V原语实现进程同步
进程同步问题的解决同样可以采用这种操作来解决，我们假设两个进程需要同步进行，一个进程是计算进程，另一个进程是打印进程，那么这个时候两个进程的定义可以表示为：
PC（表示计算进程）
A: local buf
repeat
buf=buf
until buf=空
计算
得到计算结果
buf=计算结果
goto A
PP:（表示打印进程）
B: local pri
repeat
pri=buf
until pri!=空
打印buf中的数据
清除buf中的数据
goto B
相应用P,V原语的实现过程为：
PA: deposit(data)
Begin local x
P(bufempty)
按FIFO方式选择一个空缓冲区buf(x)
buf(x)=data
buf(x)置满标记
V(buffull)
end
PB:remove(data)
Begin local x
P(buffull)
按FIFO方式选择一个装满
数据的缓冲区buf(x)
data=buf(x)
buf(x)置空标记
V(bufempty)
end
（3）用P V原语实现进程通信
我们以邮箱通信为例说明问题：
邮箱通信满足的条件是：
<1>发送进程发送消息的时候，邮箱中至少要有一个空格能存放该消息。
<2>接收进程接收消息时，邮箱中至少要有一个消息存在。
发送进程和接收进程我们可以进行如下的描述：
Deposit(m)为发送进程，接收进程是remove(m). Fromnum为发送进程的私用信号量，信箱空格数n。mesnum为接收进程的私用信号量，初值为0.
Deposit(m):
Begin local x
P(fromnum)
选择空格x
将消息m放入空格x中
置格x的标志为满
V(mesnum)
end
Remove(m)
Begin local x
P(mesnum)
选择满格x
把满格x中的消息取出放m中
置格x标志为空
V(fromnum)
end
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