Hello，你好呀，我是灰小猿，一个超会写bug的程序猿！

身为一名浪漫的程序员，应该如何深入的实现进程同步嘞？今天就来和小猿一探究竟吧😇【文中程序员表情包大赏】！

1 问题描述

1.1 为什么要有进程同步

在我们使用的操作系统中为什么要有进程同步机制？我们的计算机系统刚开始是单道批处理系统，意思就是同一时间段内只能运行一个程序，这个程序运行完，才能运行另一个程序，这样就会导致运行效率太低，系统中的资源得不到充分的利用。这也是传统操作系统在进行业务处理的时候效率低下的主要原因，那么对于这种情况应该如何解决呢？这也是现在多道批处理系统出现的原因。

多道程序并发执行，这样大大提高了系统资源的利用率。但是这种系统就会产生一些问题，比如有的资源，比如显示器，cpu，同一时间肯定只能一个程序使用，多个程序肯定不能同时使用显示器，这就是互斥关系，另外，有的两个进程间存在这样的制约关系：A程序的输出是B程序的输入，这是同步关系，为了解决这些问题，我们引入了进程同步机制。通过实现进程同步机制，我们可以实现多个进程对于资源的同步访问，提高资源的使用效率。

1.2 进程同步的方法

对于实现进程同步，我们常用的方法就是实现信号量机制。常用的信号量机制有三种，分别是整型信号量，结构体型信号量和AND型信号量。那么这三种信号量机制具体指什么呢？接下来我对这三种信号量机制逐一进行介绍。

1.2.1 整型信号量

整型信号量是指用一个整数S来进行管理，这个整数S代表资源的数目，我们往往对资源的操作方式有两种，一种是使用，一种是释放。他们分别对应两个函数：wait和signal

wait函数的作用是首先会对资源S进行判断，看资源S可不可以用，如果不可以用，也就是S<=0，那么该进程会一直等下去，直到S成为一个正数，才会执行wait方法。然后S自减一次；而signal的意思则是使用完资源后释放资源，S自增一次。

Wait函数和signal函数的具体实现如下：

wait(S){
    while(S<=0);
    S--;
}

signal(S){
    S++；
}

整型信号量的缺点：

从上面的程序中，我们其实可以发现一个问题，就是当信号量S是小于0的时候，在wait函数中，程序会一直的死循环下去。这样进程就会处于一个“忙等”的状态。这也是使用整型信号量机制的不足之处，那么如果要解决“忙等”，就要让程序进行“让权等待”。也就是在进行无法使用资源的时候，释放处理机，避免长时间占用。

1.2.2 结构体型信号量

对于上面出现的问题，我们应该让哪个进程访问临界资源呢？这个时候结构体信号量就出现了，我们可以使用一个链表来解决这个问题。使用一个结构体来描述资源，这个结构体长这样：

typedef struct{
    int value;
    struct process_control_block *list;
}semaphore;

在这个结构体里边有两个变量，一个是value，用来记录资源的个数，第二个是指针，指向下一个要使用临界资源的进程。

通过使用结构体型信号量，wait和signal函数就进行了一些改进，如下这样：

wait(semaphore *S){
    S->value--;
    if(S->value<0)  block(S->list);
}

signal(semaphore *S){
    s->value++;
    if(S->value<=0)
      wakeup(S->list);
}

在程序中，S->value的初值表示系统中某类资源的数目，可称为资源信号量。

注：

S>0时：表示可供并发进程使用的资源数。

S<=0时：|S|表示因缺少该资源而自我阻塞的进程数。

在改进之后的wait函数中，首先会向操作系统申请资源，并且让资源数减一。如果资源分配完毕，那么就调用block原语将进程进行自我阻塞。

而在signal函数中，首先会释放资源，让资源数减一，之后进行判断，如果该信号量链表中仍有等待的进程被阻塞,那么就调用wakeup原语将其唤醒。

1.2.3 AND型信号量

AND型信号量是将进程在整个运行过程中的所有资源，一次性全部分配给进程，进程使用完后再一次性释放，只要一个进程尚未分配成功，其他所有为之分配的资源也不分配给它。也就说要么把它所请求的资源全部分配给进程，要么一个也不分配，这样的好处是可以很好的避免死锁现象。

使用该信号量机制时，wait和signal函数的实现如下：

wait(S1,S2,...,Sn)
{
    while(true)
    {
        if(Si>=1&&...&&Sn>=1)
        {
            for(i=1;i<n;i++)
            Si--;
            break;
        }
        else
        {
            place the process in the waiting queue associated with.....
            //如果没有申请到资源的话就挂到相应的阻塞队列里去
        }
    }
}

Ssignal(S1,S2,...Sn)
{
    while(true)
    {
        for(i=1;i<=n;i++)
        {
            Si++;
            remove all the process waiting in the queue associated with Si into the ready queue;
            //去后备队列里唤醒或移除因Si资源阻塞的进程
        }
    }
}

以上就是对三种信号量机制的作用和实现原理的说明。

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下一篇和大家讲解如何使用信号量机制解决问题！

我是灰小猿，我们下期见！💘💘💘

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