为什么在操作系统中引入信号量及P、V操作？

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

信号量是包含一个非负整数型的变量，并且带有两个原子操作wait和signal。Wait还可以被称为down、P或lock，signal还可以被称为up、V、unlock或post。在UNIX的API中（POSIX标准）用的是wait和post。

对于wait操作，如果信号量的非负整形变量S大于0，wait就将其减1，如果S等于0，wait就将调用线程阻塞；对于post操作，如果有线程在信号量上阻塞（此时S等于0），post就会解除对某个等待线程的阻塞，使其从wait中返回，如果没有线程阻塞在信号量上，post就将S加1.

由此可见，S可以被理解为一种资源的数量，信号量即是通过控制这种资源的分配来实现互斥和同步的。如果把S设为1，那么信号量即可使多线程并发运行。另外，信号量不仅允许使用者申请和释放资源，而且还允许使用者创造资源，这就赋予了信号量实现同步的功能。可见信号量的功能要比互斥量丰富许多。

POSIX信号量是一个sem_t类型的变量，但POSIX有两种信号量的实现机制： 无名信号量 和 命名信号量 。无名信号量只可以在共享内存的情况下，比如实现进程中各个线程之间的互斥和同步，因此无名信号量也被称作基于内存的信号量；命名信号量通常用于不共享内存的情况下，比如进程间通信。

同时，在创建信号量时，根据信号量取值的不同，POSIX信号量还可以分为：

下面是POSIX信号量函数接口：

信号量的函数都以sem_开头，线程中使用的基本信号函数有4个，他们都声明在头文件semaphore.h中，该头文件定义了用于信号量操作的sem_t类型：

【sem_init函数】：

该函数用于创建信号量，原型如下：

该函数初始化由sem指向的信号对象，设置它的共享选项，并给它一个初始的整数值。pshared控制信号量的类型，如果其值为0，就表示信号量是当前进程的局部信号量，否则信号量就可以在多个进程间共享，value为sem的初始值。

该函数调用成功返回0，失败返回-1。

【sem_destroy函数】：

该函数用于对用完的信号量进行清理，其原型如下：

成功返回0，失败返回-1。

【sem_wait函数】：

该函数用于以原子操作的方式将信号量的值减1。原子操作就是，如果两个线程企图同时给一个信号量加1或减1，它们之间不会互相干扰。其原型如下：

sem指向的对象是sem_init调用初始化的信号量。调用成功返回0，失败返回-1。

sem_trywait()则是sem_wait()的非阻塞版本，当条件不满足时（信号量为0时），该函数直接返回EAGAIN错误而不会阻塞等待。

sem_timedwait()功能与sem_wait()类似，只是在指定的abs_timeout时间内等待，超过时间则直接返回ETIMEDOUT错误。

【sem_post函数】：

该函数用于以原子操作的方式将信号量的值加1，其原型如下：

与sem_wait一样，sem指向的对象是由sem_init调用初始化的信号量。调用成功时返回0，失败返回-1。

【sem_getvalue函数】：

该函数返回当前信号量的值，通过restrict输出参数返回。如果当前信号量已经上锁（即同步对象不可用），那么返回值为0，或为负数，其绝对值就是等待该信号量解锁的线程数。

【实例1】：

【实例2】：

之所以称为命名信号量，是因为它有一个名字、一个用户ID、一个组ID和权限。这些是提供给不共享内存的那些进程使用命名信号量的接口。命名信号量的名字是一个遵守路径名构造规则的字符串。

【sem_open函数】：

该函数用于创建或打开一个命名信号量，其原型如下：

参数name是一个标识信号量的字符串。参数oflag用来确定是创建信号量还是连接已有的信号量。

oflag的参数可以为0，O_CREAT或O_EXCL：如果为0，表示打开一个已存在的信号量；如果为O_CREAT，表示如果信号量不存在就创建一个信号量，如果存在则打开被返回，此时mode和value都需要指定；如果为O_CREAT|O_EXCL，表示如果信号量存在则返回错误。

mode参数用于创建信号量时指定信号量的权限位，和open函数一样，包括：S_IRUSR、S_IWUSR、S_IRGRP、S_IWGRP、S_IROTH、S_IWOTH。

value表示创建信号量时，信号量的初始值。

【sem_close函数】：

该函数用于关闭命名信号量：

单个程序可以用sem_close函数关闭命名信号量，但是这样做并不能将信号量从系统中删除，因为命名信号量在单个程序执行之外是具有持久性的。当进程调用_exit、exit、exec或从main返回时，进程打开的命名信号量同样会被关闭。

【sem_unlink函数】：

sem_unlink函数用于在所有进程关闭了命名信号量之后，将信号量从系统中删除：

【信号量操作函数】：

与无名信号量一样，操作信号量的函数如下:

命名信号量是随内核持续的。当命名信号量创建后，即使当前没有进程打开某个信号量，它的值依然保持，直到内核重新自举或调用sem_unlink()删除该信号量。

无名信号量的持续性要根据信号量在内存中的位置确定：

很多时候信号量、互斥量和条件变量都可以在某种应用中使用，那这三者的差异有哪些呢？下面列出了这三者之间的差异：

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