OS复习笔记ch5-3

引言

上一节我们学习了关于信号量机制的一些内容，包括信号量的含义，对应的PV操作等。

如图所示，上一节主要是针对信号量的互斥，其实信号量机制还可以做很多事情，比如实现进程同步和前驱关系，这一节我们先复习一下进程互斥，然后将展开进程同步和前驱关系的相关知识。

进程互斥

进程的互斥：由于各进程要求共享资源，而有些资源需要互斥使用，因此各进程间竞争使用这些资源，进程的这种关系为进程的互斥。

进程互斥对应的口诀是“前P后V”，进入区申请资源，退出去释放资源

看图说话，进程互斥的基本解决思路如下：

实现互斥首先就是要明确互斥访问的资源是什么，即划定临界区。
e.g., 访问打印机，一般一台电脑只连接一台打印机，此时访问打印机的相关代码就是临界区。
然后，对于临界区要设置互斥量，一般记作mutex，初值为一（只有一台打印机）
进程1在进入临界区之前需要申请mutex（mutex–），mutex非负，那么进入临界区
进程2进入临界区申请（mutex–），mutex为-1，执行阻塞原语，放入等待队列
进程1执行完临界区代码，释放临界区资源（mutex++），mutex非正，那么唤醒阻塞在mutex的进程2
上述过程可以推而广之，适用于多个进程访问同一个互斥资源。

进程同步

进程的同步：系统中的多个进程相互合作，某些进程发生的一些事件需要满足某种时序关系，从而共同完成任务。

如图所示，get、copy、put对应三个进程动作

f是键盘输入流，属于无界缓冲区——可以放多个数据/取多个数据
get是拿数据（s从f拿）
s、t是单缓冲区（一次只能放一个数据，一次也只能读一个数据）
copy执行某些特定的运算。
g是显示器的输出缓冲区
put是送数据（t送给g）
如果进程执行不同步，即异步执行，会存在以下的可能：

如图所示，如果get、copy、put三个进程不顺序执行，进程会由于在错误时刻存取缓冲区导致结果错误。所以，进程必须等到对应前驱进程执行结束才能读/写数据，即保证进程同步。

那么我们应该如何利用信号量机制来解决进程同步问题呢？

王道课中总结了一个解决进程同步的口诀：“前V后P”

如图所示，我们一步步分析：

首先和进程互斥一样，我们要分析我们在哪里需要满足“同步”关系，这里“一前一后”，就是说哪个进程操作在前，哪个进程操作在后。
设置一个同步信号量S，初始为0（赋值为0保证该信号量必须先释放才能申请，不能先申请再释放）
在“前操作”之后执行V(S)，即前驱进程操作结束后及时释放信号量
在“后操作”之前执行P(S)，即后继进程执行之前需要先申请信号量。
这个实现的原理其实很简单，就是卡一个信号量临界点，在前驱进程释放资源之前，后继进程不能执行，会阻塞在信号量上。这样，也就满足了进程同步必须要的前后关系。

前驱关系

基于进程同步，我们可以实现更复杂的前驱关系。
先来看一个问题，小伙伴们可以结合进程同步的知识点思考一下。

其实，道理是一样的。
既然我们S2执行之前需要S1，那么就要有一个进程同步量a，在S1执行结束后释放a，S2执行前申请a，同理S3执行之前也需要S1，再增加一个同步信号量b。
以此类推，S2是S4、S5的前驱，需要两个同步量c,d，S3、S4和S5是S6的前驱，需要三个同步量e,f,g，就可以得到如下的答案。