19.3 信号量设计实现慕课视频播放-操作系统-MOOC慕课视频教程-柠檬大学

好那我们来看一下

信号量的设计与实现

首先回顾一下信号量的原理

那所谓信号量它的定义

就包含了一个信号值

一个整型的信号值

还有一个呢是等待队列

这是组成了我们信号量的

一个数据结构

那么它的这个操作呢包含两块

一块是P操作一块是V操作

对于P操作而言呢

它会判断一下这个信号值

信号值在做了减减操作之后

如果小于0的话

我们会把当前这个线程

会加入等待队列里面去

因为这时候它表明

它满足不了信号量的需求

同时呢让这个线程进入等待状态

这是P操作

那么V操作呢正好是反的一个过程

然后会把信号值做个加加

然后进一步判断

看这个信号值是小于等于0的吗

如果是的话

它就会认为我们现在有一个线程

可以得到信号量资源

可以去进一步执行

为此呢它会把某一个线程

从等待队列里面取出来

然后呢唤醒这个线程

这就是P操作和V操作的一个

大致一个原理的一个表述

我们来看看怎么来具体实现它

我们来怎么设计它呢

其实可以一一对应

我们可以看到原理

和我们ucorelab

它怎么来完成这个对应关系的

对于这个数据结构可以看出来

这个对应还是挺直观的

这个信号值和这个value是对应的

这里面的等待队列

和我们刚才讲到等待队列

也是一一对应的

所以呢从数据结构上来看

这两个之间是一致的

那我们看它的P操作和V操作实现

有什么样的一些区别

这是原理部分

这是实现部分

我们首先关注一下

我们的实现呢

是按照一些小的节来组成的

首先我们看P操作

其实在P操作的开始

和P操作结束的时候呢

应该是对一个共享数据的一个保护

所以说我们有一个Local_intr_save

和local_intr_restore 这两个函数

放在头和尾的位置

使得中间的操作

不会被打断或者被调度

这很关键

因为对于不同线程而言

这个sem 它是一个共享的变量

有可能多个线程或者多个进程

会同时访这个信号值

所以我们需要通过这种方式

使得当某一个进程或者线程

对这个sem进行操作的时候

或者进行访问的时候

比如这里面还有个判断

其它的线程和进程

无法对它进行操作

这是通过这个操作来保证的

就是我们说的Local_intr_save

和Local_intr_restor

我们说屏蔽中断机制

这已经用到我们刚才讲到的

一个底层机制屏蔽中断

好对于这两步

我们说想判断当前这个进程

是否应该进入等待

还是说继续去执行临界区代码呢

用的一个这是sem- -

和一个if判断

我们这里面有点不太一样

我们是直接判断

这个sem->value是否大于0

如果对于这里面大于0

其实意味着这个if条件不满足

也意味着它可以进入临界区去执行

我们在这里面可以看出来也是一样

如果semphore大于0

它会直接恢复intr并restore

这就是这一块的代码

和这边代码对应关系

这有点区别

如果小于0的话

我们就会把当前这个线程呢

放到等待队列里面去

同时让当前线程处于等待状态

就这两步完成的事情

那如果我们是在ucore里面实现

怎么来做呢

我们首先会申请一个等待项

一个wait的等待项

并且把这个等待项呢

挂到等待队列里面去

而这个等待队列呢

是在我们这个semaphore里面一个成员变量

我们semaphore成员变量是等待队列

关联起来使得我们这个进程

或者线程呢它能够处于一种

就是等待状态

它能够把那个状态记录下来

同时呢还会去做一个schedule

由于在这里面就是wait_current_set

它已经把这个线程

或者进程设置为等待状态

所以说当执行schedule的时候呢

也意味着会有一个新的进程

会被选出来去执行

而当前的线程或者进程

它会被处于一种等待状态

那如果说我们当前这个

等待的线程被唤醒了

接下来会做什么事情呢

对原理来说可以看着

这里没有任何执行直接就跳出了

但实际上在具体实现的时候

需要考虑这个问题

什么呢第一个等待线程

它所对应等待项是否被删除掉

如果没有被删除掉

我们会调wait_current_del来完成

把这个等待项从等待队列里面

删除这么一个操作

这是一个问题

第二个问题是说

有可能当前的线程唤醒了这个原因

就是wakeup_flag

这个原因呢是和当时等待那个原因

是不一致的就是wait_state

这两者不一致

如果这两者不一致意味着什么

意味着出现一种比较奇怪的现象

我们会要把这个状态给返回回去

让我们高层程序进一步判断

是否是合理现象

如果不合理我们就说出现一些异常现象

我们会做一些补偿的措施

如果说我们这个wakeup_flag

就唤醒这个状态和等待这个状态是一致的

那我们就是一个正常的返回return 0

这是说在一个线程被唤醒之后

它要做的一系列操作

那前面说的是P操作的过程

那我们再看看V操作是怎么一回事

首先也是同样

由于它们对共享的变量sem

做一个操作和一个判断

所以我们会把它用Local_intr_save

和Local_intr_restore给它包起来

从而保证互斥性

这是第一步

好我们接下来看一下这个V操作

这个V操作首先要判断一种情况是什么呢

当前是否有线程处于等待状态

当做一个sem++之后呢

它会做一个判断

是否sem>0

如果大于0 意味着当前

没有处于等待状态的线程

所以它不需要唤醒

这是原理上一个设计

那么具体实现上呢有点不同

我们是说首先判断一下

这个等待队列是否为空

这很好理解

如果我们取出来这个等待队列

上面这个元素是空

意味着没有处于等待状态的线程

这时候我会直接返回

做一个加加操作之后就返回了

这和我们红色部分是对应的

另外一种情况是说

如果现在有线程处于等待状态

那我们需要把这个线程

从等待状态变到就绪态并唤醒它

那是这两段完成的事情

这是原理上讲的这个设计

那对于我们具体实现呢

其实用一个函数

wakeup_wait

就可以完成这两部分事情

第一部分是从等待队列里面

把对应线程给找出来

同时把它的状态

从等待状态变到就绪状态

好我们看一下

怎么来调用信号量的P操作

在ucorelab里面有一系列函数

高层的函数

它会通过这个down操作

来完成对这个信号量的P操作的访问

这个down是一个函数

它会进一步调一个_down

来完成进一步一些工作

完成什么呢

首先对全局变量一个互斥的保护

通过屏蔽中断

这两个屏蔽中断来完成

第二个呢是把当前的状态

从运行态变到等待状态

然后呢挂到这个等待队列里面去

完成schedule

这样就使得当前进程

就不再占用CPU了

有新的进程会被选出来

占到CPU去执行

一旦后续的工作中呢

如果说通过V操作

把这个当前等待线程给唤醒之后

我们还会做进一步的

把这个等待项给它删除的一些操作

从而可以继续去

从等待状态变到就绪态

进入到就绪队列里面去

进一步去完成相应的执行工作

这是说调用信号量P操作

的一个大致执行过程

第二个是关于调用信号量V操作的

一个执行过程

也是一样有类似一系列高层函数

会调这个UP函数

这个UP函数呢就对应V操作

UP会进一步调一个_up

然后它完成同样类似事情

首先要对全局变量做一个保护

通过屏蔽中断来支撑

然后呢去查找等待队列里面

是否有等待的线程

如果有会把它唤醒

如果没有就直接跳出

让信号量做个加加就OK了

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-17.1 背景

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第十八讲信号量与管程

-18.1 信号量

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-18.3 管程

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-18.4 哲学家就餐问题

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-18.5 读者-写者问题

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第十九讲实验七同步互斥

-19.1 总体介绍

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-第十九讲实验七同步互斥--19.2 底层支撑

-19.3 信号量设计实现

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-第十九讲实验七同步互斥--19.3 信号量设计实现

-19.4 管程和条件变量设计实现

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-第十九讲实验七同步互斥--19.4 管程和条件变量设计实现

-19.5 哲学家就餐问题

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第二十讲死锁和进程通信

-20.1 死锁概念

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-20.2 死锁处理方法

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-20.3 银行家算法

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-第二十讲死锁和进程通信--20.4 死锁检测

-20.5 进程通信概念

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-第二十讲死锁和进程通信--20.5 进程通信概念

-20.6 信号和管道

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-第二十讲死锁和进程通信--20.6 信号和管道

-20.7 消息队列和共享内存

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-第二十讲死锁和进程通信--20.7 消息队列和共享内存

第二十一讲文件系统

-21.1 文件系统和文件

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-21.2 文件描述符

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-21.3 目录、文件别名和文件系统种类

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-第二十一讲文件系统--21.3 目录、文件别名和文件系统种类

-21.4 虚拟文件系统

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-第二十一讲文件系统--21.4 虚拟文件系统

-21.5 文件缓存和打开文件

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-21.6 文件分配

--21.6 文件分配

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-21.7 空闲空间管理和冗余磁盘阵列RAID

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-第二十一讲文件系统--21.7 空闲空间管理和冗余磁盘阵列RAID

第二十二讲实验八文件系统

-22.1 总体介绍

--22.1 总体介绍

-第二十二讲实验八文件系统--22.1 总体介绍

-22.2 ucore 文件系统架构

--22.2 ucore 文件系统架构

-第二十二讲实验八文件系统--22.2 ucore 文件系统架构

-22.3 Simple File System分析

--22.3 Simple File System分析

-第二十二讲实验八文件系统--22.3 Simple File System分析

-22.4 Virtual File System分析

--22.4 Virtual File System分析

-第二十二讲实验八文件系统--22.4 Virtual File System分

-22.5 I/O设备接口分析

--22.5 I/O设备接口分析

-第二十二讲实验八文件系统--22.5 I/O设备接口分析

-22.6 执行流程分析

--22.6 执行流程分析

第二十三讲 I/O子系统

-23.1 I/O特点

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-第二十三讲 I/O子系统--23.1 I/O特点

-23.2 I/O结构

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-第二十三讲 I/O子系统--23.2 I/O结构

-23.3 I/O数据传输

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-第二十三讲 I/O子系统--23.3 I/O数据传输

-23.4 磁盘调度

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-第二十三讲 I/O子系统--23.4 磁盘调度

-23.5 磁盘缓存

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-第二十三讲 I/O子系统--23.5 磁盘缓存

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