计算机操作系统（十四）互斥锁，信号量机制与整型信号量

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前言

• 在上一篇博客中，我们通过简单的代码初步了解了进程同步和进程互斥的概念，以及进程互斥的硬件实现方法。
• 本文将继续深入探讨并发编程中的重要机制，包括互斥锁、信号量机制以及整型信号量的具体应用。

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一、进程互斥与互斥锁

1. 什么是进程互斥？

多个进程（或线程）同时访问共享资源（如打印机、变量）时，需要保证同一时刻只有一个进程使用资源，否则会导致混乱（比如多个进程同时修改同一数据，结果出错）。
例子：多个同学排队用一台打印机，每次只能有一人打印，其他人必须等待。

2. 互斥锁是什么？

互斥锁就像一把“钥匙”，确保同一时刻只有一个进程持有钥匙（占用资源），其他进程必须等待。

• 特点：
  • 忙等待（自旋锁）：没拿到锁的进程会不断循环检查锁是否可用，不做其他事（“干等”）。
  • 优点：简单高效，适合多处理器系统（等待的进程可在其他核心继续运行）。
  • 缺点：在单处理器系统中效率低（等待时占用CPU，无法解锁）。
• 适用场景：多核心CPU下的快速资源竞争（如短时间占用的资源）。

二、信号量机制（解决互斥的更通用方案）

1. 为什么需要信号量？

互斥锁只能解决“互斥”（一次只能一个进程用资源），但现实中可能有多个同类资源（如3台打印机），或需要协调进程间的“先后顺序”（如生产者-消费者问题）。信号量能更灵活地管理这类场景。

2. 信号量是什么？

• 本质：一个整数变量（记为 s），表示系统中某种资源的剩余数量或状态。
• 核心操作：
  • wait(s)（申请资源）：
    • 如果 s > 0，表示有资源可用，s 减1，进程继续执行。
    • 如果 s ≤ 0，表示无资源，进程阻塞等待（不占用CPU，直到资源释放）。
  • signal(s)（释放资源）：
    • s 加1，唤醒等待该资源的进程。
• 关键特性：
  • 原语操作：wait 和 signal 的执行必须一气呵成（中途不能被打断），通过硬件指令（如关中断）保证原子性。
  • 解决忙等待问题：进程阻塞时不占用CPU，比互斥锁的“忙等待”更高效。

2. 整型信号量

2.1 什么是整型信号量？

• 它是信号量的 简化版，本质就是一个 整数变量（比如 int semaphore = 10）。
• 靠两个原子操作（不可中断的操作）控制资源：
  • P操作（申请资源）：想占用资源时，先把计数器减1。
    • 如果减完后 计数器 ≥ 0：说明有资源，允许进入。
    • 如果减完后 计数器 < 0：说明没资源，原地循环等待（忙等）。
  • V操作（释放资源）：用完资源后，把计数器加1。
    • 如果加完后 计数器 ≤ 0：说明有其他进程在等待，唤醒一个等待的进程。

举个例子
假设桌子数量 semaphore = 1（互斥锁场景，比如打印机一次只能被一个进程用）：

• 进程A 来申请资源（P操作）：semaphore 变成0，≥0，允许使用。
• 进程B 来申请资源（P操作）：semaphore 变成-1，<0，只能疯狂循环检查 semaphore 是否变回≥0（像个傻子一样一直问“好了吗？好了吗？”）。
• 进程A 用完释放（V操作）：semaphore 变回0，此时发现有进程在等待（因为-1<0），唤醒进程B。
• 进程B 继续执行，占用资源。

缺点：忙等太浪费！

• 忙等：进程B在等待时，一直占用CPU资源（像个不停敲门的人），导致CPU效率低下。
• 不适合大量进程竞争：如果有100个进程等资源，100个都在疯狂循环，电脑直接卡爆。

3. 记录性信号量

3.1 什么是记录性信号量？

• 为了解决整型信号量的忙等问题，引入了一个 结构体 来记录更多信息，比如：

  struct semaphore {int value;          // 资源数量（比如剩余桌子数）struct process* list;  // 等待队列（记录哪些进程在排队）
  };
  

• P操作和V操作的逻辑变了：
  • P操作：
    1. 把 value 减1。
    2. 如果 value < 0，说明没资源，把当前进程加入等待队列，然后 阻塞（暂停执行），释放CPU（像留个电话，去干别的事）。
  • V操作：
    1. 把 value 加1。
    2. 如果 value ≤ 0，说明等待队列里有进程在等，唤醒队列中的第一个进程（打电话叫人回来）。

2举个例子
还是桌子数量 value = 1：

• 进程A 申请资源（P操作）：value 变0，≥0，允许使用。
• 进程B 申请资源（P操作）：value 变-1，<0，被加入等待队列，进入阻塞状态（不占用CPU，去睡觉了）。
• 进程A 释放资源（V操作）：value 变0，发现等待队列有进程B，唤醒B。
• 进程B 被唤醒后，从阻塞状态变为就绪状态，等待CPU调度后继续执行。

优点：不忙等，更高效！

• 阻塞代替忙等：等待的进程不占用CPU，CPU可以去处理其他任务，资源利用率更高。
• 清晰的排队机制：通过等待队列管理进程，避免混乱，符合“先来先服务”的公平性。

总结

特性	整型信号量	记录性信号量
数据结构	整数（int）	结构体（含value和等待队列）
等待方式	忙等（循环检查，浪费CPU）	阻塞（加入队列，不占CPU）
公平性	无队列，可能导致“饥饿”	有队列，按顺序唤醒，更公平
适用场景	简单场景（如少量进程互斥）	复杂场景（如大量进程竞争）

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以上就是对本次关于操作系统博客内容的总结，后续我们将深入探讨操作系统更多知识。

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