操作系统——第二章 （二）
38、信号量机制是一种进程同步思想，保证进程的先后执行顺序。需要掌握的有整形信号量、记录型信号量、AND型信号量。信号量集不用掌握，了解思想就可以。还有利用信号量解决实际问题，比较有代表性的是生产者与消费者问题、哲学家进餐问题、读者写者问题。
39、信号量是一种特殊的数据结构，有P操作和V操作，PV操作都是原子操作，P操作时让代表资源数目的变量-1，V操作是让代表资源数目的变量+1。P操作类似与申请使用资源，V操作就是释放资源。
40、整形信号量就是基本的PV操作，因为在P操作中需要判断while(S <= 0); ，所以不满足让权等待原则，每次执行都需要耗费CPU一个时间片的时间。
41、记录型信号量从定义看，是一种特殊的结构体就比较好理解了。该结构体包含两个内容，一个是代表资源数目的value，一个是因为申请该资源不够引起阻塞的进程，以链表的形式存在。P操作的主要思想是，不管资源数量如何，先执行value-1操作，如果value<0，意味着资源不够，就需要把进程添加到结构体中阻塞队列里边。V操作的主要思想是先value+1，如果value<=0，说明仍然有阻塞的进程，就要从结构体阻塞进程队列里取出一个来，唤醒他。这种方法比整形信号量进步的地方在于，满足让权等待，但是最重要的一个问题是可能会引起死锁。例如AB两个进程，A进程连续申请两种临界资源PA（s1），PA（s2），B进程同样连续申请两种互斥资源PB（s2），PB（s1）。倘若按照PA（s1）--PB（s2）--PA（s2）--PB（s1）的顺序执行，会在PA（s2）这里发生死锁，s2资源已经被B进程申请分配，这里又得不到释放，A进程会因为得不到s2，而不释放s1，B进程也得不到s1，就死锁了。
42、所以，基于记录型信号量的特点，又引出了AND型信号量。你不是怕发生死锁吗？那一次性申请所有的需要用的资源，也就是P操作。如果发现第一个不够的资源（不满足Si>=1），就把进程添加到这个资源的阻塞队列里，如果所有资源都够，就把所有资源一次性分配到位。V操作是把所有的Si+1，并把因为Si不够的进程唤醒。
43、但是仍旧有问题，在AND型信号量中，一次P操作只能申请一种资源里的一个资源，假设要申请多个，就需要多次P操作，明显不方便，所有就引出了信号量集。基于AND型信号量，信号量集的主要思想是分配所需要的全部资源。
44、P操作和V操作一定要成对出现，缺少P操作，不能保证互斥访问临界资源，缺少V操作不能释放资源，不能让其他进程申请资源导致进程一直处于阻塞状态，不会被唤醒。并且PV操作按照一定顺序执行才行，否则可能会引起系统混乱。
45、利用信号量机制解决生产者问题，生产者问题前边已经有描述。先要分析问题，不允许消费者进程从一个空缓冲区中取产品、不允许生产者进程往一个已满且还没被取走的缓冲区中投放产品，要想实现要用到两个信号量。还有，不允许生产的时候消费，不允许消费的时候生产，也就是将缓冲池看成一个临界资源，这需要一个信号量，总共需要三个信号量。假设初始缓冲池是空的，用empty=n代表剩余空的位置数量，用full = 0代表已占有的位置数量，用mutex = 1代表生产和消费互斥的访问缓冲池。
生产者：
wait(empty);
wait(mutex);
Buffer[in]=nextp;
in=(in+1) % n;
signal(mutex);
signal(full);
消费者：
wait(full);
wait(mutex);
nextc=buffer[out];
out=(out+1) % n;
signal(mutex);
signal(empty);
一定要注意申请资源的顺序，生产者先申请empty，再申请mutex，消费者先申请full，在申请mutex。假设交换生产者和消费者中的申请empty和mutex，就有可能产生死锁。例如，缓冲池满了，empty=0了，生产者先申请mutex，再申请empty=0，因为empyt已经为0 了，这一步的P操作会一直处于判断状态，而消费者因为生产者已经占用缓冲池了，就不能够执行到向缓冲池取走内容，也就是发生了死锁。
释放顺序比较好理解，后申请的，先释放，类似于回家一样，先开大门，后开客厅门，走到时候是先锁客厅门，后索大门。因为我们一直把互斥资源这种东西比作锁，那就按照锁去理解。
46、记两种资源的申请顺序比较麻烦，有没有好的方式？那就是AND型信号量，对于生产者来说，empty和mutex一起申请，一起释放，对于消费着来说，full和mutex一起申请，一起释放，就没有刚才的死锁问题了。
47、哲学家进餐问题，五个哲学家，五支筷子，一个人吃饭同时需要两只筷子，如何解决这个问题。可以利用记录型信号量，把五个筷子当作五个临界资源，哲学家先申请左边的筷子，再申请右边的筷子，只有同时获得左右两边的筷子，才能够进餐，进餐完毕后释放筷子这个资源。假设五个哲学家同时申请左边的筷子，又不能得到右边的筷子，这样会发生死锁。如何解决？可以加一些限制条件，比如只允许最多四个人同时申请进餐；规定奇数的先申请左边的筷子，再申请右边的筷子，偶数的先申请右边的筷子，再申请左边的筷子 ，这样肯定会有一个哲学家会获得两只筷子，问题就解决了。
48、哲学家进餐问题关键在于同时获得两只筷子，同时是AND型信号量的特点，所以用AND型信号量就没有刚才诸多复杂的问题。
49、读写问题。捋清楚读和写的关系，读的时候不能写，写的时候不能读，所以读写时互斥的，写和写之间也是互斥的，读和读之间并不互斥，允许同时读，所以读（写）和写之间需要一个互斥信号量wmutex。此外，还需要考虑一个问题，如何判断是否有正在读的进程？可以利用一个count代表读进程的数量，如果没有正在读的，也就是count=0，读之前要申请wmutex，如果有正在读的，也就是count>1，说明前边已经申请过wmutex，不用再次申请，只需要count+1就可以，读结束之后执行count-1。但是其中还有问题，刚才提到的判断是否有读的进程，不是原子操作，为了保证count不被同时访问，将count视为临界资源，另找rmutex作为操作count的临界资源信号量。
把上述思路写成读写进程代码：
semaphore rmutex = 1, wmutex = 1;
int readcount = 0;
void Reader(){
do{
wait(rmutex);
if(readcount == 0) wait(wmutex);
readcount++;
signal(rmutex);
…
perform read operation;
…
wait(rmutex);
readcount--;
if(readcount == 0) signal(wmutex);
signal(rmutex);
}while(TRUE)
}
void Writer(){
do{
wait(wmutex);
perform write operation;
signal(wmutex);
}while(TRUE)
}
50、进程的通信分为高级通信和低级通信，前边提到的信号量就是低级通信。缺点是效率低（传递数据量小）、对用户不透明（需要用户自己去实现，增加了用户的工作量）。如果为了实现进程之间传递消息，可以利用OS提高到高级通信方式，相对来讲，可以增加传递的数据量，可以对用户透明（不需要用户实现，直接调用现成的原语就可以）。
51、进程的高级通信包括：共享存储器系统、管道通信、消息传递系统、客户机-服务器系统。
52、共享存储器系统：共享数据结构的通信方式、共享存储区通信方式。两种方式类似，区别是共享数据结构的方式共享的数据量比较小，共享存储区的方式共享的数据量比较大，原理都是共享同一片存储空间，可以类比成全局变量。如果从数据量来说，共享数据结构的通信方式就属于低级通信，共享存储区通信方式属于高级通信。
53、管道通信：基于文件系统，单向的。读进程和写进程有同步和互斥关系。同步是说，写进程将管道写满或写到一定数据量，就阻塞，读进程取走数据后再把写进程唤醒，反之同理。互斥是说，写的时候不能读，读的时候不能写。
54、消息传递系统：有直接通信和间接通信。直接通信是调用OS原语，send直接给目标进程发送消息、receive直接接收来自发送进程发送的消息，在send和recive中包含了消息内容、目标进程识别码。可以利用send和recieve原语解决生产者和消费者问题，更简单。间接通信需要依靠一个中间实体，这个中间实体就是信箱。信箱相当于是一个中间桥梁，将发送者将信息先放到信箱里，接收者再从信箱里取走消息。只有自己才能信箱的创建和撤销也是要通过原语实现的，所以创建信箱必须要给出信箱的名字、信箱是否被共享的属性。信箱的属性是说信箱是否是共享的，所以信箱要分为私有信箱（由用户创建，拥有者可以取，其他进程只能向里写。类似于自己家门口的奶箱，送奶的可以往里放，只有自己有钥匙可以拿走奶，任何人都拿不走奶。所以是单向的。）、公用信箱（由系统创建，所有进程都能够用，所以是双向的）、共享信箱（由进程创建，相当于和邻居共同使用一个奶箱，都能够打开箱子取走奶）
55、客户机-服务器系统：计算机网络中会学到，不是我们这门课的重点。
56、为什么引入进程？实现并发操作，提高系统效率。为什么引入线程？进程有缺点，进程的切换在时间和空间上消耗较大，将进程部分角色功能用线程代替，例如被CPU调度的功能。
57、将进程和线程区分开，能够明白两者之间的联系、区别。a、从被CPU调度来看，线程是被CPU调度的最小单位，线程不拥有资源（其实有一丢丢），线程会使用所属进程的资源，所以进程的资源是拥有的线程共享的。这样的话同一进程里的线程切换涉及不到进程的切换，时间空间开销就少。b、并发性：线程也可以并发，不同进程之间的线程也可以并发，但是会设计进程的切换。c、拥有资源：线程不拥有资源（其实有一丢丢），线程会使用所属进程的资源，所以进程的资源是拥有的线程共享的。c、独立性：独立性可以理解为关联性，同一进程中的线程独立性比不同进程中的线程低。d、系统开销：进程的创建要分配资源，建立PCB，线程的创建不需要分配资源，只用创建线程的TCB，进程的终止要回收资源PCB，线程只要回收TCB就可以，所以线程的创建、终止、切换时间空间开销都要少。e、支持多处理机系统：一个CPU可以调度一个线程，多个CPU可以调度同一进程下的多个线程，所以在多处理机情况下，可以把一个进程分为若干个线程并行执行，提高进程的执行效率。
