第75页 | 现代操作系统-Andrew S. Tanenbaum

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2.3.5　信号量

信号量是E.W.Dijkstra在1965年提出的一种方法，它使用一个整型变量来累计唤醒次数，供以后使用。在他的建议中引入了一个新的变量类型，称作信号量（semaphore）。一个信号量的取值可以为0（表示没有保存下来的唤醒操作）或者为正值（表示有一个或多个唤醒操作）。

Dijkstra建议设立两种操作：down和up（分别为一般化后的sleep和wakeup）。对一信号量执行down操作，则是检查其值是否大于0。若该值大于0，则将其值减1（即用掉一个保存的唤醒信号）并继续；若该值为0，则进程将睡眠，而且此时down操作并未结束。检查数值、修改变量值以及可能发生的睡眠操作均作为一个单一的、不可分割的原子操作完成。保证一旦一个信号量操作开始，则在该操作完成或阻塞之前，其他进程均不允许访问该信号量。这种原子性对于解决同步问题和避免竞争条件是绝对必要的。所谓原子操作，是指一组相关联的操作要么都不间断地执行，要么都不执行。原子操作在计算机科学的其他领域也是非常重要的。

up操作对信号量的值增1。如果一个或多个进程在该信号量上睡眠，无法完成一个先前的down操作，则由系统选择其中的一个（如随机挑选）并允许该进程完成它的down操作。于是，对一个有进程在其上睡眠的信号量执行一次up操作之后，该信号量的值仍旧是0，但在其上睡眠的进程却少了一个。信号量的值增1和唤醒一个进程同样也是不可分割的。不会有某个进程因执行up而阻塞，正如在前面的模型中不会有进程因执行wakeup而阻塞一样。

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顺便提一下，在Dijkstra原来的论文中，他分别使用名称P和V而不是down和up，荷兰语中，Proberen的意思是尝试，Verhogen的含义是增加或升高。由于对于不讲荷兰语的读者来说采用什么记号并无大的干系，所以我们将使用down和up名称。它们在程序设计语言Algol 68中首次引入。

用信号量解决生产者-消费者问题

用信号量解决丢失的wakeup问题，如图2-28所示。为确保信号量能正确工作，最重要的是要采用一种不可分割的方式来实现它。通常是将up和down作为系统调用实现，而且操作系统只需在执行以下操作时暂时屏蔽全部中断：测试信号量、更新信号量以及在需要时使某个进程睡眠。由于这些动作只需要几条指令，所以屏蔽中断不会带来什么副作用。如果使用多个CPU，则每个信号量应由一个锁变量进行保护。通过TSL或XCHG指令来确保同一时刻只有一个CPU在对信号量进行操作。

读者必须搞清楚，使用TSL或XCHG指令来防止几个CPU同时访问一个信号量，这与生产者或消费者使用忙等待来等待对方腾出或填充缓冲区是完全不同的。信号量操作仅需几个毫秒，而生产者或消费者则可能需要任意长的时间。

该解决方案使用了三个信号量：一个称为full，用来记录充满的缓冲槽数目；一个称为empty，记录空的缓冲槽总数；一个称为mutex，用来确保生产者和消费者不会同时访问缓冲区。full的初值为0，empty的初值为缓冲区中槽的数目，mutex初值为1。供两个或多个进程使用的信号量，其初值为1，保证同时只有一个进程可以进入临界区，称作二元信号量（binary semaphore）。如果每个进程在进入临界区前都执行一个down操作，并在刚刚退出时执行一个up操作，就能够实现互斥。

在有了一些进程间通信原语之后，我们再观察一下图2-5中的中断顺序。在使用信号量的系统中，隐藏中断的最自然的方法是为每一个I/O设备设置一个信号量，其初值为0。在启动一个I/O设备之后，管理进程就立即对相关联的信号量执行一个down操作，于是进程立即被阻塞。当中断到来时，中断处理程序随后对相关信号量执行一个up操作，从而将相关的进程设置为就绪状态。在该模型中，图2-5中的第5步包括在设备的信号量上执行up操作，这样在第6步中，调度程序将能执行设备管理程序。当然，如果这时有几个进程就绪，则调度程序下次可以选择一个更为重要的进程来运行。在本章的后续内容中，我们将看到调度算法是如何进行的。

在图2-28的例子中，我们实际上是通过两种不同的方式来使用信号量，两者之间的区别是很重要的。信号量mutex用于互斥，它用于保证任一时刻只有一个进程读写缓冲区和相关的变量。互斥是避免混乱所必需的操作。在下一节中，我们将讨论互斥量及其实现方法。