进程同步与信号量详解：互斥访问与条件同步

本章节主要探讨了操作系统中的一个重要概念——信号量，它是进程同步的关键工具。信号量是一种整型数据结构，通过两个原子操作——P()（P操作）和V()（V操作）来管理并发进程对共享资源的访问。P操作将信号量减一，如果结果小于0，表示没有可用资源，此时进程会被阻塞，直至信号量变为正；V操作则是增加信号量，如果有进程在等待，那么信号量会变为非负，唤醒一个等待的进程。 信号量的值反映了当前系统中可进入临界区的进程数量或剩余资源的数量。它具有以下几个特性： 1. **保护性**：信号量是受保护的，只可通过P()和V()操作进行增减。 2. **原子性**：操作系统确保P()和V()操作是原子操作，不会被中断。 3. **可能的阻塞**：P操作可能导致进程阻塞，当信号量为负时，而V操作则不会。 4. **公平性与顺序性**：通常假设信号量的操作遵循公平原则，即每个等待的进程按顺序获取资源，避免无限等待。 信号量有多种类型： - **二进制信号量**（互斥信号量）：仅支持一个进程进入临界区，资源数量为0或1，用于实现临界区的互斥访问。 - **资源信号量**（计数信号量）：资源数量可以为负值，允许多个进程进入临界区，适用于更复杂的同步场景。 信号量的典型应用包括： - **临界区互斥**：通过二进制信号量控制只有一个进程能访问临界区，例如使用`mutex`实现。 - **条件同步**：线程间通过条件变量配合信号量，实现事件等待，如`condition`用于调度约束。 实际编程中，创建信号量、申请资源（P操作）以及释放资源（V操作）都是关键步骤。例如，在互斥访问中，首先创建一个二进制信号量并调用P()获取权限，然后执行临界区代码，最后调用V()释放资源，允许其他等待的线程进入。在调度约束中，通过`condition`的P()操作进入等待状态，满足条件后（由其他线程V()操作触发）再继续执行。 总结来说，信号量是操作系统中一种强大的同步机制，通过它们可以有效地管理并发进程对共享资源的竞争和协调，确保系统的正确性和效率。理解信号量的工作原理和使用方法对于编写高效且可靠的多线程程序至关重要。