什么是信號量？信號量（semaphore）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為一個值和一個指針，指針指向等待該信號量的下一個進(jìn)程。信號量的值與相應(yīng)資源的使用情況有關(guān)。當(dāng)它的值大于0時，表示當(dāng)前可用資源的數(shù)量；當(dāng)它的值小于0時，其絕對值表示等待使用該資源的進(jìn)程個數(shù)。注意，信號量的值僅能由PV操作來改變。
     一般來說，信號量S30時，S表示可用資源的數(shù)量。執(zhí)行一次P操作意味著請求分配一個單位資源，因此S的值減1；當(dāng)S<0時，表示已經(jīng)沒有可用資源，請求者必須等待別的進(jìn)程釋放該類資源，它才能運(yùn)行下去。而執(zhí)行一個V操作意味著釋放一個單位資源，因此S的值加1；若S￡0，表示有某些進(jìn)程正在等待該資源，因此要喚醒一個等待狀態(tài)的進(jìn)程，使之運(yùn)行下去。

    利用信號量和PV操作實現(xiàn)進(jìn)程互斥的一般模型是：
進(jìn)程P₁              進(jìn)程P₂           ……          進(jìn)程Pn
……                  ……                           ……
P（S）；              P（S）；                         P（S）；
臨界區(qū)；             臨界區(qū)；                        臨界區(qū)；
V（S）；              V（S）；                        V（S）；
……                  ……            ……           ……

    其中信號量S用于互斥，初值為1。
    使用PV操作實現(xiàn)進(jìn)程互斥時應(yīng)該注意的是：
    （1）每個程序中用戶實現(xiàn)互斥的P、V操作必須成對出現(xiàn)，先做P操作，進(jìn)臨界區(qū)，后做V操作，出臨界區(qū)。若有多個分支，要認(rèn)真檢查其成對性。
    （2）P、V操作應(yīng)分別緊靠臨界區(qū)的頭尾部，臨界區(qū)的代碼應(yīng)盡可能短，不能有死循環(huán)。
   （3）互斥信號量的初值一般為1。

    利用信號量和PV操作實現(xiàn)進(jìn)程同步
PV操作是典型的同步機(jī)制之一。用一個信號量與一個消息聯(lián)系起來，當(dāng)信號量的值為0時，表示期望的消息尚未產(chǎn)生；當(dāng)信號量的值非0時，表示期望的消息已經(jīng)存在。用PV操作實現(xiàn)進(jìn)程同步時，調(diào)用P操作測試消息是否到達(dá)，調(diào)用V操作發(fā)送消息。
    使用PV操作實現(xiàn)進(jìn)程同步時應(yīng)該注意的是：

    （1）分析進(jìn)程間的制約關(guān)系，確定信號量種類。在保持進(jìn)程間有正確的同步關(guān)系情況下，哪個進(jìn)程先執(zhí)行，哪些進(jìn)程后執(zhí)行，彼此間通過什么資源（信號量）進(jìn)行協(xié)調(diào)，從而明確要設(shè)置哪些信號量。
    （2）信號量的初值與相應(yīng)資源的數(shù)量有關(guān)，也與P、V操作在程序代碼中出現(xiàn)的位置有關(guān)。
    （3）同一信號量的P、V操作要成對出現(xiàn)，但它們分別在不同的進(jìn)程代碼中。

【例1】生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題
在多道程序環(huán)境下，進(jìn)程同步是一個十分重要又令人感興趣的問題，而生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題是其中一個有代表性的進(jìn)程同步問題。下面我們給出了各種情況下的生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題，深入地分析和透徹地理解這個例子，對于全面解決操作系統(tǒng)內(nèi)的同步、互斥問題將有很大幫助。

（1）一個生產(chǎn)者，一個消費(fèi)者，公用一個緩沖區(qū)。
定義兩個同步信號量：
empty——表示緩沖區(qū)是否為空，初值為1。
   full——表示緩沖區(qū)中是否為滿，初值為0。
生產(chǎn)者進(jìn)程
while(TRUE){
生產(chǎn)一個產(chǎn)品;
     P(empty);
     產(chǎn)品送往Buffer;
     V(full);
}
消費(fèi)者進(jìn)程
while(True){
P(full);
   從Buffer取出一個產(chǎn)品;
   V(empty);
   消費(fèi)該產(chǎn)品;
   }
（2）一個生產(chǎn)者，一個消費(fèi)者，公用n個環(huán)形緩沖區(qū)。
定義兩個同步信號量：
empty——表示緩沖區(qū)是否為空，初值為n。
full——表示緩沖區(qū)中是否為滿，初值為0。

    設(shè)緩沖區(qū)的編號為1～n-1，定義兩個指針in和out，分別是生產(chǎn)者進(jìn)程和消費(fèi)者進(jìn)程使用的指
，指向下一個可用的緩沖區(qū)。
生產(chǎn)者進(jìn)程
while(TRUE){
     生產(chǎn)一個產(chǎn)品;
     P(empty);
     產(chǎn)品送往buffer（in）；
     in=(in+1)mod n；
     V(full);
}

消費(fèi)者進(jìn)程
while(TRUE){
 P(full);
   從buffer（out）中取出產(chǎn)品；
   out=(out+1)mod n；
   V(empty);
   消費(fèi)該產(chǎn)品;
   }
（3）一組生產(chǎn)者，一組消費(fèi)者，公用n個環(huán)形緩沖區(qū)
    在這個問題中，不僅生產(chǎn)者與消費(fèi)者之間要同步，而且各個生產(chǎn)者之間、各個消費(fèi)者之間還必須互斥地訪問緩沖區(qū)。
定義四個信號量：
empty——表示緩沖區(qū)是否為空，初值為n。
full——表示緩沖區(qū)中是否為滿，初值為0。
mutex1——生產(chǎn)者之間的互斥信號量，初值為1。
mutex2——消費(fèi)者之間的互斥信號量，初值為1。

    設(shè)緩沖區(qū)的編號為1～n-1，定義兩個指針in和out，分別是生產(chǎn)者進(jìn)程和消費(fèi)者進(jìn)程使用的指針，指向下一個可用的緩沖區(qū)。
生產(chǎn)者進(jìn)程
while(TRUE){
     生產(chǎn)一個產(chǎn)品;
     P(empty);
     P(mutex1)；
     產(chǎn)品送往buffer（in）；
     in=(in+1)mod n；
     V(mutex1);
     V(full);
}
消費(fèi)者進(jìn)程
while(TRUE){
 P(full)
   P(mutex2)；
   從buffer（out）中取出產(chǎn)品；
   out=(out+1)mod n；
   V（mutex2）；
   V(empty);
   消費(fèi)該產(chǎn)品;
   }
  需要注意的是無論在生產(chǎn)者進(jìn)程中還是在消費(fèi)者進(jìn)程中，兩個P操作的次序不能顛倒。應(yīng)先執(zhí)行同步信號量的P操作，然后再執(zhí)行互斥信號量的P操作，否則可能造成進(jìn)程死鎖。

【例2】桌上有一空盤，允許存放一只水果。爸爸可向盤中放蘋果，也可向盤中放桔子，兒子專等吃盤中的桔子，女兒專等吃盤中的蘋果。規(guī)定當(dāng)盤空時一次只能放一只水果供吃者取用，請用P、V原語實現(xiàn)爸爸、兒子、女兒三個并發(fā)進(jìn)程的同步。

分析 在本題中，爸爸、兒子、女兒共用一個盤子，盤中一次只能放一個水果。當(dāng)盤子為空時，爸爸可將一個水果放入果盤中。若放入果盤中的是桔子，則允許兒子吃，女兒必須等待；若放入果盤中的是蘋果，則允許女兒吃，兒子必須等待。本題實際上是生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題的一種變形。這里，生產(chǎn)者放入緩沖區(qū)的產(chǎn)品有兩類，消費(fèi)者也有兩類，每類消費(fèi)者只消費(fèi)其中固定的一類產(chǎn)品。

    解：在本題中，應(yīng)設(shè)置三個信號量S、So、Sa，信號量S表示盤子是否為空，其初值為l；信號量So表示盤中是否有桔子，其初值為0；信號量Sa表示盤中是否有蘋果，其初值為0。同步描述如下：
int S＝1;
int Sa＝0;
int So＝0;
      main()
      {
        cobegin
            father();      /*父親進(jìn)程*/
            son();        /*兒子進(jìn)程*/
            daughter();    /*女兒進(jìn)程*/
        coend
    ｝
    father()
    {
        while(1)
          {
            P(S);
            將水果放入盤中;
            if（放入的是桔子）V(So);
            else  V(Sa);
           }
     }
    son()
    {
        while(1)
          {
             P(So);
             從盤中取出桔子;
             V(S);
             吃桔子;
            ｝
    }
    daughter()
    {
         while(1)
            {
              P(Sa);
              從盤中取出蘋果;
              V(S);
              吃蘋果;
            ｝
｝
 
思考題：

四個進(jìn)程A、B、C、D都要讀一個共享文件F，系統(tǒng)允許多個進(jìn)程同時讀文件F。但限制是進(jìn)程A和進(jìn)程C不能同時讀文件F，進(jìn)程B和進(jìn)程D也不能同時讀文件F。為了使這四個進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行時能按系統(tǒng)要求使用文件，現(xiàn)用PV操作進(jìn)行管理，請回答下面的問題：
    （1）應(yīng)定義的信號量及初值：                    。
    （2）在下列的程序中填上適當(dāng)?shù)?/SPAN>P、V操作，以保證它們能正確并發(fā)工作：
     A()                B()                  C()                 D()
      {                 {                    {                  {
      [1];                [3];                  [5];                 [7];
      read F;             read F;                read F;              read F;
     [2];                [4];                  [6];                 [8];
      }                  }                    }                  } 

    思考題解答：
（1）定義二個信號量S1、S2，初值均為1，即：S1=1，S2=1。其中進(jìn)程A和C使用信號量S1，進(jìn)程B和D使用信號量S2。
（2）從[1]到[8]分別為：P(S1) V(S1) P(S2) V(S2) P(S1) V(S1) P(S2) V(S2)