Operating System：信号量

pv原语操作
（1）操作系统PV意思：PV操作与信号量的处理相关，P表示通过的意度思，V表示释放的意思。
（2）p操作和v操作是不可中断问的程序段，称为原语。如果将信号量看作共享变量，则pv操作为其临界区，多个答进程不能同时执行，一般用硬件方法保证。一个信专号量只能置一次初值，以后只能对之进属行p操作或v操作。

临界资源和临界区
各进程采取互斥的方式，实现共享的资源称作临界资源。属于临界资源的硬件有打印机、磁带机等,软件有消息缓冲队列、变量、数组、缓冲区等。 诸进程间应采取互斥方式，实现对这种资源的共享。

每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区

同步和互斥
互斥：是指某一资源同时只允许一个访问者对其进行访问，具有唯一性和排它性。但互斥无法限制访问者对资源的访问顺序，即访问是无序的。

同步：是指在互斥的基础上（大多数情况），通过其它机制实现访问者对资源的有序访问。在大多数情况下，同步已经实现了互斥，特别是所有写入资源的情况必定是互斥的。少数情况是指可以允许多个访问者同时访问资源。

信号量（semaphore）
特性
抽象的来讲，信号量的特性如下：信号量是一个非负整数（车位数），所有通过它的线程/进程（车辆）都会将该整数减一（通过它当然是为了使用资源），当该整数值为零时，所有试图通过它的线程都将处于等待状态。在信号量上我们定义两种操作： Wait（等待） 和 Release（释放）。当一个线程调用Wait操作时，它要么得到资源然后将信号量减一，要么一直等下去（指放入阻塞队列），直到信号量大于等于一时。Release（释放）实际上是在信号量上执行加操作，对应于车辆离开停车场，该操作之所以叫做“释放”是因为释放了由信号量守护的资源。

操作方式
对信号量有4种操作(#include<semaphore.h>)：

1. 初始化（initialize），也叫做建立（create） int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

2. 等信号（wait），也可叫做挂起（suspend）int sem_wait(sem_t *sem);

3. 给信号（signal）或发信号（post） int sem_post（sem_t *sem）;

4. 清理（destroy） int sem_destory(sem_t *sem);

Semaphore的主要方法摘要：

　　void acquire():从此信号量获取一个许可，在提供一个许可前一直将线程阻塞，否则线程被中断。
　　void release():释放一个许可，将其返回给信号量。
　　int availablePermits():返回此信号量中当前可用的许可数。
　　boolean hasQueuedThreads():查询是否有线程正在等待获取。

public class StudySemaphore {

public static void main(String[] args) {
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();

//信号量，只允许 3个线程同时访问
Semaphore semaphore = new Semaphore(3);

for (int i=0;i<10;i++){
final long num = i;
executorService.submit(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
//获取许可
semaphore.acquire();
//执行
System.out.println("Accessing: " + num);
Thread.sleep(new Random().nextInt(5000)); // 模拟随机执行时长
//释放
semaphore.release();
System.out.println("Release..." + num);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
}

executorService.shutdown();
}

}

一、概述

信号量是操作系统提供的一种协调共享资源访问的方法。

和用软件实现的同步比较，软件同步是平等线程间的的一种同步（sync，锁机制）协商机制，不能保证原子性。而信号量则由操作系统进行管理，地位高于进程，操作系统保证信号量的原子性。

信号量是跟锁机制在同一个层次上的编程方法。

管程是为了解决信号量在临界区的PV操作上的配对的麻烦，把配对的PV操作集中在一起，生成的一种并发编程方法。其中使用了条件变量这种同步机制。

二、信号量

PV操作是一种实现进程互斥与同步的有效方法。PV操作与信号量的处理相关，P表示通过的意思，V表示释放的意思。

P（S）：①将信号量S的值减1，即S=S-1；
②如果s>0，则该进程继续执行；否则该进程置为等待状态，排入等待队列。
V（S）：①将信号量S的值加1，即S=S+1；
②如果S>0，则该进程继续执行；否则释放队列中第一个等待信号量的进程。
PV操作的意义：我们用信号量及PV操作来实现进程的同步和互斥。PV操作属于进程的低级通信。

什么是信号量？信号量（semaphore）的数据结构为一个值和一个指针，指针指向等待该信号量的下一个进程。信号量的值与相应资源的使用情况有关。当它的值大于0时，表示当前可用资源的数量；当它的值小于0时，其绝对值表示等待使用该资源的进程个数。注意，信号量的值仅能由PV操作来改变。

信号中包括一个整形变量，和两个原子操作P和V，其原子性由操作系统保证，这个整形变量只能通过P操作和V操作改变。

信号量的等待进程被放在等待队列中，按先进先出的次序执行。

3）信号量分类：

i)二进制信号量：资源数目为0或1

ii)资源信号量：资源数目为任何非负值

两者其实是等价的，基于一个可以实现另一个。

4) 信号量作用：

i）实现临界区的互斥访问

进入临界区之前使用P操作，如果信号量为1，则进入，且信号量设置为0。如果信号量为0，则进入等待队列。

退出临界区之后使用V操作，信号量值加1，如果信号量还小于等于0，则唤醒等待队列中的一个进程。

ii)实现条件同步

一个线程A使用P操作，一个线程B使用V操作，初始的信号量设置为0。则为了满足某个条件，必须在线程B执行之后，才可以执行线程A。用信号量可以轻松实现这一点。

6）使用信号量的缺陷

读/开发代码比较困难，而且PV在不同的线程里配对，容易写错。而且必须先检查资源信号量的值，再进入临界区（即先写emptyBuffers->P(),再写mutex->P())，否则所有线程都不能进入临界区。