进程与线程：09 进程同步与信号量

课程引入：进程同步与信号量

接下来这节课开始，我们再开始讲多进程图像。讲多进程图像的下一个点，前面我们讲清楚了多进程图像要想实现切换，调度是如何做的。同时，多个进程放在内存中，就会存在多进程合作的情况，而这种合作应该是合理有序的，这部分内容就是进程同步——让多进程之间的合作变得合理有序。那么怎么来实现这种合理有序呢？就要靠信号量。这堂课我们要讲清楚为什么会有信号量，以及如何依靠信号量来实现多个进程推进的合理有序，即同步。

现实案例：进程合作与同步的重要性

首先从一个例子看起，在现实社会中，司机和售货员就如同两个进程，司机的动作是启动车、运行、到站停车，售货员的动作是关门、售票、开门，他们各自有一套执行流程。这两个进程在同一台车上，为完成车辆的合理有序行驶，必须进行合作。在这里插入图片描述

不合作的后果：如果二者执行顺序没有约束，比如售票员开门售票时，司机启动车辆，就会造成严重后果。所以，司机启动车辆不能随意进行，需要等待一个信号，比如售票员卖完票告知可以走了；同样，售票员开门也不是随便进行的，要等车辆到站停车的信号。
合作与同步的体现：司机等待售票员关门的信号再启动车辆，售票员在车辆到站后得到停车信号才开门，这就体现了进程间的合作。一个进程等待信号，另一个进程在合适的时候发送信号，从而使多个进程按照一定顺序向前推进，这就是同步。每个进程有自己的执行程序，但不是每条程序都能随便执行，有时需要停下来等待信号，当收到信号后再继续执行，这就是多进程合理有序的合作与同步。

技术案例：生产者 - 消费者模型中的同步问题

接下来以生产者 - 消费者模型为例进一步说明。有一个共享缓冲区，生产者不断向里放内容，每放完一个 counter 加一；消费者不断从里取内容，每取出一个 counter 减一，这是典型的多进程合作场景。在这里插入图片描述

同步需求：在这个模型中，也需要合理有序的推进。当生产者发现 counter 等于缓冲区大小 buff size ，即缓冲区满了，就不能继续放入，必须等待；同理，当缓冲区为空时，消费者也应该停止。
所以，进程同步的关键在于分析进程在哪些地方该停、什么时候该走。在生产者 - 消费者模型中，缓冲区满时生产者停，消费者消费后产生空闲缓冲区，就给生产者发信号让其继续；缓冲区空时消费者停，生产者生产后给消费者发信号。
信号的局限性：仅依靠信号存在问题。例如，当缓冲区满时，生产者 p1 尝试放入会因 counter 等于 buff size 而 sleep ，之后另一个生产者 p2 进来，同样会 sleep 。此时若消费者执行一次循环，取出一个内容， counter 变为 buff size - 1 ，消费者判断缓冲区未满，认为无人等待缓冲区，不会再发信号唤醒 p2 ，导致 p2 永远无法唤醒。这说明单纯依靠 counter 进行语义判断不足，不仅需要知道缓冲区中空闲个数，还需知道有多少进程在睡眠等待。

信号量的引入与原理

为解决上述问题，引入信号量。信号量是一个整数，它能记录更多信息。例如信号量等于 -2 ，表示有两个进程在等待。当消费者执行时，发现信号量为 -2 ，就会唤醒阻塞队列头部的进程（如 p1 ），同时信号量变为 -1 ；再次执行，唤醒 p2 ，信号量变为 0 。
在这里插入图片描述

信号量的语义：信号量为负数时，表示有进程阻塞，其绝对值代表等待进程的数量；为 0 时，表示没有进程等待，但也没有可用资源；为正数时，表示有可用资源，数值代表资源数量。如消费者执行使信号量变为 1 ，表示还有一个空闲缓冲区，此时若有新的生产者 p3 来，无需睡眠可直接执行，执行后信号量变为 0 ；再有生产者来，信号量变为 -1 ，该生产者需阻塞等待。
基于信号量的进程决策：进程根据信号量的值决定是否等待或唤醒其他进程。生产者申请使用资源（如空闲缓冲区）时，若信号量为负或零，说明资源不足或已用完，需等待；消费者释放资源（产生空闲缓冲区）时，若信号量为负，说明有进程在等待，需唤醒一个等待进程。

信号量与资源等待的关系

我们可以根据这个习题来回答，对于一种数量为八的资源，思考进程等待的原因。进程等待肯定是因为申请资源时没有可用资源了。在进程同步中，竞争合作体现为走走停停，而“停滞”是其中的核心，所以明确进程何时等待至关重要。当一个进程访问资源却发现没有资源时，就会进入等待状态。在这里插入图片描述

这种资源对应的信号量初值应该设为八，这表示初始状态下可以使用八个该资源。当信号量的值变为零时，意味着没有资源剩余，若值再变为负数，进程就需要等待。当信号量的值为二时，说明还有两个资源可供使用，此时没有进程在等待该资源；而当信号量的值为 -2 时，则表示有两个进程正在等待该资源。

通过信号量的值，我们能够判断系统中有多少进程在等待资源，以及还有多少资源可供使用。基于这样的判断，我们可以控制进程的执行与暂停，从而实现进程同步，其核心就在于依据信号量的值来判断进程何时该“走”、何时该“停”。

信号量的核心概念与操作

信号量的定义与作用
进程之间的同步是多个进程走走停停的合理有序推进，判断何时停要看信号量的值。当信号量为负值或 0 时，进程申请信号量会变成负值，此时进程等待；其他进程根据信号量的值，若为负，在释放信号量时进行唤醒操作；若为正，直接累加，无需发信号。
信号量的实现方式
在编程实现中，判断进程是否需要等待资源是通过调用函数来完成的，这就涉及到信号量的具体实现。信号量的核心是一个整数，它记录着资源的相关信息。为了方便用户操作，我们通过定义 P、V 操作这两个接口函数来实现对信号量的控制。
- P 操作：当进程想要申请资源，判断自己是否应该暂停时，就调用 P 操作。以 P(sem) 为例，执行该操作时，首先将信号量 sem 的值减 1。这是因为进程申请资源，相当于资源数量减少。如果减 1 后信号量的值小于 0，说明在本次申请之前，资源要么已经没有剩余（值为 0），要么已经处于供不应求的状态（值为负），当前进程无法获得资源，此时进程就会进入睡眠状态，并被放入与该信号量相关联的阻塞队列中。例如，生产者进程每次使用空闲缓冲区时，就需要对空闲缓冲区对应的信号量执行 P 操作，以此判断是否有空闲缓冲区可供使用，如果没有则进入等待。
- V 操作：有进程等待，就需要有唤醒操作，这就是 V 操作的作用。当进程释放资源时，会调用 V 操作。执行 V 操作时，将信号量的值加 1 ，这表示资源数量增加。如果加 1 后信号量的值仍然小于等于 0，说明在释放资源之前，有进程在等待该资源（信号量为负表示等待进程数，为 0 表示刚有进程等到资源），此时就需要调用 wake up 函数，从阻塞队列中唤醒一个进程；如果加 1 后信号量的值大于 0 ，则表示没有进程在睡眠等待，无需进行唤醒操作。比如消费者进程产生空闲缓冲区后，就会对相应的信号量执行 V 操作。
- 系统调用：由于信号量操作涉及到进程睡眠等在内核态完成的操作，所以 P 和 V 操作需要做成系统调用，这样上层应用程序就能通过调用系统调用来使用信号量。其中，P 操作源于荷兰语“test”，表示测试是否需要阻塞；V 操作源于荷兰语“increment”，表示增加资源数量，进而实现唤醒等待进程的功能。

信号量解决生产者 - 消费者问题

利用信号量及其 P、V 操作，可以有效解决生产者 - 消费者问题，实现进程间的同步与合作。在解决该问题时，关键在于分析生产者和消费者何时会暂停，并据此定义相应的信号量。在这里插入图片描述

分析生产者与消费者的等待条件
- 生产者：当缓冲区满时会停，所以定义一个信号量 empty 表示空闲缓冲区个数，初值为 buff_size 。生产者每次操作前先执行 P(empty) ，测试 empty 是否为 0 ，即缓冲区是否满，若满则等待。当消费者释放空闲缓冲区时，执行 V(empty) 增加 empty 的值。
- 消费者：当缓冲区没有内容时会停，定义一个信号量 full 表示已生产内容的个数，初值为 0 。消费者每次操作前先执行 P(full) ，测试 full 是否为 0 ，即是否有内容，若无则等待。当生产者生产内容后，执行 V(full) 增加 full 的值。
互斥信号量实现共享资源互斥访问
共享缓冲区（可视为文件）的操作需要互斥，即同一时刻只能有一个进程访问。定义一个互斥信号量 mutex ，初值为 1 。生产者和消费者在访问共享缓冲区前，先执行 P(mutex) ，若 mutex 等于 1 ，则变为 0 ，进程进入；访问结束后执行 V(mutex) 释放资源，使其他进程可以进入。