信号量机制

信号量机制是一种卓有成效的进程同步与互斥的工具。进程同步即是使在异步环境下的各进程按一定的顺序和速度执行；进程互斥即临界资源（公有资源）在某一时刻只允许被一个进程访问。

信号量机制主要包括信号量和PV操作。

信号量

信号量是一个整型变量，根据控制对量的不同赋予不同的值。

• 在实现进程互斥的场景中，信号量初值为1或资源的数量
• 在实现进程同步的场景中，信号量处置为0或某个正整数

信号量大于0时表示资源的可用数量，<0时表示阻塞队列中等待该资源的进程数量。

PV操作

1. P操作: S=S-1 若 S < 0，表示当前没有可用资源，进程进入等待队列
2. V操作: S=S+1 若 S <= 0, 表示阻塞队列中有等待该资源的进程，唤醒等待队列中的第一个进程。

使用PV操作实现进程的互斥控制

互斥控制是为了保护共享资源， 不让多个进程同时访问这个共享资源。一般最简单的互斥控制操作如下:

P(信号量)
临界区
V(信号量)

信号量一般为1或者资源的数量，如当前资源数量为1，则信号量S初始值为1，当一个进程进来时执行P(S)，将当前资源分配给当前进程，信号量对应减1，当前信号量S为0，这是其他进程调用P(S)，S=S-1当前信号量S为-1，则当前进程进入等待队列，直到获取资源的进程执行V(S)释放资源，S=S+1当前信号量S=0,唤醒之前等待队列中的第一个进程继续执行。

使用PV操作实现进程的同步控制

同步控制是为了处理进程间合作引起的互相制约的问题，一般讲信号量与消息联系起来。当信号量0时表示消息未产生；当信号量为非0时，表示消息已存在。进程通过P操作来判断消息是否已到达，通过V操作通知消息已准备好。实现同步控制的操作如下：

进程A              进程B
P(信号量)           V(信号量)

当进程B产生消息后，由进程A进程读取。初始信号量为0,第一种情况：进程A执行P(S),此时信号量为-1,进程进去等待队列，当进程B执行V(S)操作后产生一条消息，此时信号量为0，这时进程A被唤醒获取到对应的消息；第二种情况：进程B先执行V(S)产生了一条消息，此时信号量为1,进程A执行P(S)，获取到这条消息，此时信号量恢复到0；通过这种同步的控制使得进程执行的顺序得到了保证，不管什么情况下总是先进程B产生消息,进程A消费消息。

如果是一个持续运行的消息生产-消费的程序，这种控制会造成消息缓冲队列的溢出，这个时候需要引入另外一个信号量来保证缓冲区的互斥。

• 信号量S1表示生产消息数量，初值为0
• 信号量S2表示消息缓冲数量，初值为1

进程A（消费者）              进程B（生产者）
P(S1)                        P(S2)
从缓冲区读取一条消息         将生产的消息放入缓冲区
V(S2)                        V(S1)
处理消息

1. 进程A执行P(S1)时，需要等待进程B生产消息。
2. 进程B执行P(S2)时，缓冲信号对应减1，当缓冲区信号一直没有被消息，或速度小于生产的速度时，这个时候缓冲区空间逐渐被占满，当缓冲信号对应为0时进程B进入等待队列，只有当进程A消费消息，执行V(S2)释放缓冲区时进程B被唤醒继续生产消息。