操作系统03 - 信号量

信号量
使用
- 互斥锁
- Join
同步原语对比
适用场景
- IO处理
- 实现Condition

信号量

信号量包含一个非负值。
可以初始化成任意数字
wait = Semaphore::P()等待其值大于1，然后原子的减一
sigal = Semaphore::V()原子加一，如果有1个或多个等待，唤醒一个

int sem_wait(sem_t *s) {
    // 等待其值大于1， 将信号量减一
}

int sem_post(sem_t *s) {
    // 将信号量加一，如果有1个或多个等待，唤醒一个
}

使用

互斥锁

void semaphoreLock()
{
    static sem_t semaphore;
    sem_init(&semaphore, 0, 1);
    
    sem_wait(&semaphore);
    // 临界区
    sem_post(&semaphore);
}

Join

是Mac OS X废弃了sem_init, 取而代之的是sem_open和sem_unlink

#include <pthread/pthread.h>
#include <semaphore.h>

static sem_t *semaphore;

static void *childThread(void *args) {
    printf("child start\n");
    sem_post(semaphore);
    printf("child end\n");
    
    return NULL;
}

static int testEntry() { 
    sem_unlink("semaphore"); // 如果你能确保程序每次运行时信号量都是全新的且不会有命名冲突，或者你不介意使用旧的信号量，那么 sem_unlink 可以省略。
    semaphore = sem_open("semaphore", O_CREAT | O_EXCL, S_IRWXU, 0);
    printf("parent start\n");
    pthread_t p;
    pthread_create(&p, NULL, childThread, NULL);
    sem_wait(semaphore);
    printf("parent end\n");
    
    return 0;
}

同步原语对比

Condition会自动原子的释放和持有锁，所以可以安全的访问共享数据。Semaphore没有自动释放获取锁的特性，而且通常需要在使用wait前释放掉锁。否者，除非线程恢复执行，锁一直是持有状态
Condition是无内存状态，若没有等待线程signal没有任何作用。Semaphore有值，signal会+1，会导致下一个wait直接执行
Semaphore的sigal会释放资源(+1), wait会消耗一个资源(-1), 始终伴随着状态改变，要仔细对应到合适的业务场景
Lock语意明确，检测lock和unlock是否成对出现更容易. Semaphore需要对应整个使用流程
一个无状态的Condition和Lock，可以适应任意业务逻辑的判断。Semaphore只适用简单的递增递减逻辑

semaphore的灵活多变，使得有些人不推荐。monitor是lock和若干Condition

适用场景

IO处理

IO处理使用共享内存，里面的数据结构会被kernel和driver并行的读写，锁无法使用在这种场景，因此driver使用特殊设计的原子内存操作

如果driver需要被系统关注(可能是网络包已经到达/磁盘操作已经完成)，硬件会更新共享内存，然后通过interrupt机制告知系统。interrupt handler通常比价简单，它会唤醒对应等待的线程返回。

这种场景使用无锁Condition会有问题，假设，操作系统线程检查共享内存，发现无事可做打算wait, 此时中断发生，触发interupt, 在interrupt handler调用sigal,因为此时wait还未生效，sigal没有任何作用

此时，semaphore的sigal就完美的解决了这个问题

interrupt handler不能使用锁，否者会阻塞，导致接下来事件无法获取

实现Condition

此方法由Andrew Birrell发明，主要用在Windows上实现Condition, 直到Windows官方支持

// Put thread on queue of waiting
// threads.
void CV::wait(Lock *lock) {
    semaphore = new Semaphore(0);
    waitQueue.Append(semaphore);
    lock.release();
    semaphore.P();
    lock.acquire();
}

// Wake up one waiter if any.
void CV::signal() {
    if (!waitQueue.isEmpty()) {
        semaphore = queue.Remove();
        semaphore.V();
    }
}

–END–