什么是信号量？计数、二进制类型及示例

信号量的特性

以下是信号量的特性：

• 它是一种可用于提供任务同步的机制。
• 它是一种低级同步机制。
• 信号量始终保持非负整数值。
• 信号量可以使用测试操作和中断来实现，这些操作应该使用文件描述符执行。

信号量类型

两种常见的信号量是：

• 计数信号量
• 二元信号量。

计数信号量

这种类型的信号量使用一个计数器，帮助任务被获取或释放多次。如果初始计数 = 0，则计数信号量应处于不可用状态创建。

但是，如果计数大于 0，则信号量处于可用状态创建，其拥有的令牌数量等于其计数。

二元信号量

二元信号量与计数信号量非常相似，但其值被限制在 0 和 1。在这种类型的信号量中，只有当信号量= 1 时，Wait 操作才有效，而 Signal 操作在信号量= 0 时成功。它比计数信号量更容易实现。

信号量示例

下面的程序是涉及信号量用法和声明的分步实现。

Shared var mutex: semaphore = 1;
Process i
    begin
    .
    .
    P(mutex);
    execute CS;
    V(mutex);
    .
    .
    End;

信号量中的 Wait 和 Signal 操作

这两种操作都用于实现进程同步。此信号量操作的目标是获得互斥。

Wait 操作

这种类型的信号量操作有助于控制任务进入临界区。但是，如果 Wait 的值为正，则 Wait 参数 X 的值将减一。对于负值或零值，则不执行任何操作。它也称为 P(S) 操作。

在信号量值减小且变为负数后，命令将被挂起，直到满足所需条件。

Copy CodeP(S)
{ 
    while (S<=0);
    S--;
}

Signal 操作

这种类型的信号量操作用于控制任务退出临界区。它有助于将参数的值增加 1，表示为 V(S)。

Copy CodeP(S)
{ 
    while (S>=0);
    S++;
}

计数信号量与二元信号量

以下是计数信号量和二元信号量之间的一些主要区别：

计数信号量	二元信号量
无互斥	互斥
任何整数值	值仅为 0 和 1
一个以上的槽	仅一个槽
提供一组进程	它具有互斥机制。

信号量与互斥锁的区别

参数	信号量	互斥锁 (Mutex)
机制	它是一种信号机制。	它是一种锁定机制。
数据类型	信号量是一个整数变量。	互斥锁只是一个对象。
修改	Wait 和 Signal 操作可以修改信号量。	它仅由请求或释放资源的进程修改。
资源管理	如果没有任何资源可用，则需要资源的进程应执行 Wait 操作。它应等待，直到信号量计数大于 0。	如果被锁定，则进程必须等待。进程应置于队列中。这需要在互斥锁解锁后才能访问。
线程	您可以拥有多个程序线程。	您可以拥有多个程序线程，但不能同时使用互斥锁。
所有权	值可以由任何释放或获取资源的进程更改。	对象锁只能由已获取该锁的进程释放。
类型	信号量的类型是计数信号量和二元信号量，而	互斥锁没有子类型。
操作	信号量值通过 wait() 和 signal() 操作进行修改。	互斥锁对象被锁定或解锁。
资源占用	如果所有资源都被使用，并且请求资源的进程执行 Wait() 操作并阻塞自身直到信号量计数大于 1，则会占用。	如果对象已被锁定，则请求资源的进程会等待，并在释放锁之前由系统排队。

信号量的优点

以下是使用信号量的优点/好处：

• 它允许多个线程访问临界区
• 信号量是机器无关的。
• 信号量在微内核的机器无关代码中实现。
• 它们不允许多个进程进入临界区。
• 由于信号量中存在忙等待，因此不会浪费进程时间和资源。
• 它们是机器无关的，应在微内核的机器无关代码中运行。
• 它们允许灵活管理资源。

信号量的缺点

以下是信号量的缺点/弊端：

• 信号量最大的限制之一是优先级反转。
• 操作系统必须跟踪对 Wait 和 Signal 信号量的所有调用。
• 它们的使用从不强制执行，而只是约定俗成。
• 为了避免信号量中的死锁，Wait 和 Signal 操作需要按正确的顺序执行。
• 信号量编程很复杂，因此存在无法实现互斥的可能性。
• 对于大规模使用，这也不是一种实用的方法，因为它们的使用会导致模块化丢失。
• 信号量更容易出现程序员错误。
• 它可能导致死锁或由于程序员错误导致互斥违例。

摘要

• 信号量定义为线程之间共享的非负变量。
• 它是一种可用于提供任务同步的机制。
• 计数信号量使用一个计数器，帮助任务被获取或释放多次。
• 二元信号量与计数信号量非常相似，但其值被限制在 0 和 1。
• Wait 操作有助于控制任务进入临界区
• Signal 信号量操作用于控制任务退出临界区
• 计数信号量无互斥，而二元信号量有互斥
• 信号量表示信号机制，而互斥锁表示锁定机制
• 信号量允许多个线程访问临界区
• 信号量最大的限制之一是优先级反转。