如何用結構型信號量實現互斥和同步

信號量方法的基本原則：兩個或多個進程可以用信號的方法進行協作；進程可以在任何地方停下來以等待收到特定的信號；信號的實現是用一種稱爲信號量（Semaphore）的特殊變量。

信號量S就是一個特殊變量，包含一個整數值。
在S上可以執行兩個原子操作：wait(S)用來接受信號，也稱爲P操作；signal(S)用來發送信號，也稱爲V操作。

信號量分類：計數信號量（Counting Semaphore）、二元信號量（Binary Semaphore）、結構信號量（Structure Semaphore），

結構型信號量

結構型信號量數據結構

typedef struct
{
	int value;
	struct process *L;	// L指向一個進程隊列
}

wait操作

void wait(semaphore *S)
{
	s.value--;
	if (s.value < 0)
	{
		add this process into S.L;
		block();
	}
}

signal操作

void signal(semaphore *S)
{
	s.value++;
	if (s.value <= 0)
	{
		remove a process P from S.L;
		wakeup(P);
	}
}

如何用信號量實現互斥？

用信號量實現互斥的方法：
（S.value初始值爲1）
wait(S);
臨界區
signal(S);

例如：有三個進程P、Q、R欲進入臨界區，S.value初始值爲1。P進入時，先執行wait(S)，此時S.value=0，不滿足if條件，則wait結束，P進入臨界區。若此時Q想要進入臨界區，也需執行wait，此時S.value=-1，滿足<0條件，則將進程加入S,L，block阻塞進程，使其等待。同理若R想進入臨界區，則有S.value=-2，R進程也阻塞。
此時若P從臨界區出來，執行signal，此時S.value=-1，滿足if條件，從等待進程中選擇一個進入臨界區，假設按照FCFS算法，使Q進入。同理Q出臨界區後，S.value=0，R進入，R出臨界區後，S.value=1，迴歸初始值。

如何用信號量實現同步？

用信號量實現同步的方法：
S.value初始值爲0
在先執行的進程段後面加signal(S)
後執行的進程段前面加wait(S)

例子：假設有P1和P2兩個進程，要求P1進程的A段必須在P2進程的B段之前執行。
(1) 若此時P1先執行，執行完A段後，執行signal(S)，此時S.value=1，不滿足signal中的if條件，不進行任何操作，結束signal。再執行P2的B段之前，執行wait(S)，此時S.value=0，不滿足wait中的if條件，不進行任何操作，結束wait，執行B。
(2) 若此時P2先執行，執行B段之前先執行wait(S)，此時S.value=-1，滿足wait中的if條件，B段進入S.L隊列，阻塞。執行P1中的A段，結束後執行signal(S)，此時S.value=0，滿足signal中的if條件，將B移出等待隊列，喚醒B進程。

信號量取值特點
一個信號量的值可以爲負數，其絕對值表示有多少個進程等待這個信號量。
一個信號量的值可以爲正數，表示有一個或多個被積累下來的喚醒操作。

使用信號量時需要避免的錯誤
死鎖：兩個或多個進程無限地等待一個事件，而這個事件只能由這些等待進程之一來產生。
飢餓：無限期阻塞，即進程在信號內無限等待的情況。

參考文獻
北京工業大學網課《操作系統原理》金雪雲