嵌入式基礎(chǔ)知識-信號量、PV原語與前趨圖

本篇來介紹信號量與PV原語的一些知識，并介紹其在前趨圖上的應(yīng)用分析。本篇的知識屬于操作系統(tǒng)部分的通用知識，在嵌入式軟件開發(fā)中，同樣會用到這些知識。

1 信號量

信號量是最早出現(xiàn)的用來解決進(jìn)程同步與互斥問題的機(jī)制（可以把信號量視為一個加鎖標(biāo)志位，實(shí)現(xiàn)對臨界資源互斥的訪問）。

信號量是一個整數(shù)：

當(dāng)信號量S>=0時，代表可供并發(fā)使用的資源數(shù)量當(dāng)信號量S<0時，代表已經(jīng)沒有可用資源，S的絕對值表示當(dāng)前等待該資源的進(jìn)程數(shù)

利用信號量可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的互斥與同步

2 PV原語

2.1 P原語（wait）

P原語（申請資源，相當(dāng)于wait，阻塞進(jìn)程）操作的動作是：

sem減1

• 若sem減1后仍>=0，則執(zhí)行P操作的進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行

若sem減1后<0，則執(zhí)行P操作的進(jìn)程被阻塞

后進(jìn)入與該信號相對應(yīng)的隊列中，然后轉(zhuǎn)進(jìn)程調(diào)度

2.2 V原語（signl）

V原語（釋放資源，相當(dāng)于signal，激活進(jìn)行）操作的動作是：

sem加1

• 若sem加1后>0，則執(zhí)行V操作繼續(xù)執(zhí)行若sem加1后仍<=0（表明有進(jìn)程阻塞在該類資源上），則從該信號的

等待隊列中喚醒一等待進(jìn)程

，然后再返回原進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行或轉(zhuǎn)進(jìn)程調(diào)度

注意：PV操作對于每一個進(jìn)程來說，都只能進(jìn)行一次，而且必須成對使用。在PV原語執(zhí)行期間不允許有中斷的發(fā)生。

2.3 P、V操作

PV原語的執(zhí)行順序：

執(zhí)行P操作，信號量減一然后進(jìn)行對共享資源的訪問V操作，信號量加一

PV操作中關(guān)于信號量的計算：

某系統(tǒng)有n個進(jìn)程，共享資源R，R是可用數(shù)為m，其中n>=m。若采用PV操作，則信號量S的取值范圍是多少？

分析：

信號量的最大值，即可用資源的數(shù)據(jù)，即m信號量的最小值，即最多能阻塞的進(jìn)程數(shù)量，然后取負(fù)數(shù)，本例中，最大阻塞數(shù)為n-m所以，信號量S的取值范圍是 -(n-m)~m

3 信號量與PV操作的應(yīng)用

3.1 實(shí)現(xiàn)進(jìn)程互斥

為使多個進(jìn)程互斥的訪問某臨界資源（例如一臺打印機(jī)）：

須為該資源設(shè)置一個互斥信號量mutex，并設(shè)其初值為1然后各進(jìn)程訪問資源的臨界區(qū)CS置于wait(mutx)和signal(mutex)之間即可

semaphore mtuex = 1; //表示打印機(jī)（互斥/共享資源）

void process1() //進(jìn)程1
{
    //...
    wait(mutx); //P操作，信號量-1
    //使用打印機(jī)
    signal(mutex); //V操作，信號量+1
    //...
}

void process2() //進(jìn)程2
{
    //...
    wait(mutx);//P操作，信號量-1
    //使用打印機(jī)
    signal(mutex);//V操作，信號量+1
    //...
}

這里簡單分析一下

只有一臺打印機(jī)，所以信號量初值是1

wait(mutx)，即P操作，信號量減1，例如：

• • 當(dāng)?shù)谝粋€進(jìn)程使用打印機(jī)時，信號量減為0，沒有進(jìn)程阻塞當(dāng)?shù)诙€進(jìn)程也使用打印機(jī)時，信號量再減1變?yōu)?1，小于0了，說明有進(jìn)程阻塞（就是第二個進(jìn)程阻塞）當(dāng)?shù)谌齻€進(jìn)程也使用打印機(jī)時，信號量再減1變?yōu)?2，也小于0了，說明有進(jìn)程阻塞（就是第三個進(jìn)程阻塞）

signal(mutex)，即V操作，信號量加1，例如：

• 當(dāng)?shù)谝粋€進(jìn)程使用打印機(jī)完畢時，信號量加1變?yōu)?1，仍小于0，說明激活一個進(jìn)程后，仍有進(jìn)程阻塞（例如第二個進(jìn)程可以使用打印機(jī)了，第三個進(jìn)程仍在等待）當(dāng)?shù)诙€進(jìn)程使用打印機(jī)完畢時，信號量加1變?yōu)?，說明激活一個進(jìn)程后，沒有進(jìn)程阻塞（第二個進(jìn)程可以使用打印機(jī)了）當(dāng)?shù)谌齻€進(jìn)程使用打印機(jī)完畢時，信號量加1變?yōu)?

3.2 實(shí)現(xiàn)前趨關(guān)系（前趨圖）

這里先簡單介紹下前趨圖：

前趨圖是為了描述一個程序的各部分間的依賴關(guān)系，或者是一個大的計算的各個子任務(wù)間的因果關(guān)系的圖示。

前趨圖中的每個結(jié)點(diǎn)可以表示一條語句、一個程序段或一個進(jìn)程

結(jié)點(diǎn)間的有向邊表示兩個結(jié)點(diǎn)之間存在的偏序（Partial Order）或前趨關(guān)系

3.2.1 例子1

進(jìn)程P1~P5的前趨圖如下所示，若用PV操作控制進(jìn)程P1~P5并發(fā)執(zhí)行的過程，需要設(shè)置5個信號量S1~S5，且信號量的初值都是0。

根據(jù)以上描述，下圖中的a~e處分別該填什么：

分析，根據(jù)文字描述，對照圖中信息，可先將P(S1)和P(S3)在圖中標(biāo)注出來，進(jìn)而可推出信號量S1和S3以及V操作V(S1)和V(S3)。

然后假設(shè)P1到P3使用的信號量S3，P3到P5使用的信號量S4，P4到P5使用的信號量S5，即可推導(dǎo)出剩余的PV操作。

3.2.2 例子2

進(jìn)程P1~P6的前趨圖如下所示，若用PV操作控制進(jìn)程P1~P6進(jìn)程同步與互斥的程序如下，則呈現(xiàn)中中的①~⑥處分別該填什么：

分析：根據(jù)程序中的描述，對照圖中信息，可先將程序中已表示的PV操作標(biāo)注出來，并標(biāo)注出①~⑥在圖中的位置。

然后假設(shè)P1到P2使用的信號量S1，P4到P6使用的信號量S7，P5到P6使用的信號量S8，即可推導(dǎo)出剩余的PV操作

4 總結(jié)

本篇介紹了信號量與PV原語的基礎(chǔ)知識點(diǎn)，并介紹了PV操作的一些應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程互斥和實(shí)現(xiàn)前趨關(guān)系，前趨關(guān)系中使用前趨圖來實(shí)例分析PV操作影響信號量變化的具體運(yùn)行過程。