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Semaphore.md

File metadata and controls

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信号量，semaphore。

信号量的结构可以简单朴素地看成一个结构体：

struct semaphore {
    int count;
    queue blockQueue;
}

对一个信号量有且仅有三种方式可以操作：

  1. 初始化
  2. 在某一进程／线程发送semSignal
  3. 在某一进程／线程发送semWait

这些操作可以假设为原子的，操作系统提供了保证。

而信号量的值只可为0或1的信号量种类，称之为二元信号量。 而仅可以在当前进程／线程执行semSignal，且在当前进程／线程执行semWait的二元信号量，成为互斥量（mutex）。

不同于自旋锁或特殊的机器指令对某一进程／线程进行忙等，信号量不会占用CPU时间片，而是适时地将进程／线程状态置为阻塞态，将时间片让出给其他进程／线程使用，效率上优先于忙等。当然，相较而言，进程间切换也会有一定的消耗。

操作：

  • semSignal将会使一个semaphore增加1。
  • semWait将会使一个semaphore减少1。

当执行了semWait后，sem >= 0时，当前进程将可以继续执行。 当执行了semWait后，sem < 0时，当前进程将被阻塞，同时进入阻塞队列。 当执行了semSignal后，sem += 1，从阻塞队列中取出一个进程设为就绪态，进入就绪队列，等待内核调度其得到CPU时间片。 （如何从阻塞队列中取出进程，以什么样的顺序取出进程，涉及到策略，例如使用了简单的FIFO可称为强信号量，而没有规定以什么顺序取出的称为弱信号量）

一个例子：

有一些进程，每一个都需要进入临界区域，可以使用信号量解决。

semaphore s = 1;
function aFunction() {
    while (true) {
        semWait(s);
        // 临界区操作
        semSignal(s);
    }
}

提出问题：

为什么首先执行了semWait(s)？

信号量初始化为1，首先执行semWait的进程将信号量s执行减1操作，此时s == 0，非负，当前进程得以进入临界区；下一个进程再次调用semWait时，s变为-1，该进程被阻塞，进入阻塞队列；当第一个进程执行完临界区操作后，调用semSignal，s执行+1操作，从阻塞队列中取出一个进程变为就绪态，等待调用。

信号量的操作是原子性的是一切理论的基础，没有原子性，信号量也不能提供安全。

总结：

简单说，信号量就是一个提供了原子性，且内部有一个阻塞队列的结构体，通过对其执行semSignal和semWait原子性地改变内部的count，同时在适当情况下将调用了semWait的进程移进或移出其阻塞队列。