计算机技术学习札记

操作系统 2：信号与信号量

信号

信号是内核向进程发出的消息，用来通知进程「系统中发生了某种类型的事件」。信号可以是内核自身产生，也可以由某一个进程产生，籍由内核发送到另一个进程。信号分为不同的种类，每种信号都由一个整数 ID 来表示。在 *nix 系统中，使用 kill -l 查看所有信号列表：

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信号的接收

当目的进程被内核强制以某种方式对信号的发送做出反应时，它就接收了这个信号。进程可能有下面的「反应」：

  • 忽略信号：什么也不做。

  • 终止 / 停止：终止或挂起当前进程。还可能转储内存到文件以供调试。

  • 执行一个信号处理程序。

类似中断的处理，内核有一套信号的处理与阻塞机制。在每个进程的上下文中，内核维护有挂起和阻塞向量——当信号 \(k\) 被传输来时，挂起向量第 \(k\) 位拉高；当信号被接收时拉低。而阻塞位拉高位的信号，则信号不会被接收（但也不会消失），直到阻塞取消，信号才会被处理。

特别地，信号不会排队（多个同类信号到来时，后来者被丢弃），而内核默认阻塞与当前正在处理信号同类的信号。

信号处理程序的设置

我们使用 signal() 函数设置某个信号的处理例程。函数原型是：

typedef void (*sighandler_t)(int);

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

例如，signal(SIGINT, foobar) 将在程序收到 SIGINT 时，调用函数 foobar()。

安全的信号处理

下面是编写信号处理程序（函数）的一些注意事项。

  • 处理程序尽可能简单。

  • 在处理程序中，只使用异步信号安全的函数。

  • 保存和恢复 errno。

  • 阻塞所有信号。

  • 用 volatile 声明全局变量。

信号量

信号量是一种具有非负整数值的全局变量，它有两种操作 P 和 V：

  • P(s)：如果 s 非零，就将 s 减 1，然后立即返回。此操作是原子的，即它要么不做要么必须做完。如果 s 是零，则阻塞当前进程，直到 s 因为一个 V 操作增加。

    或者，参考下面的定义：

    wait(semaphore_t *s) {
  atomic s->value--;
  if (s->value < 0) {
    add current process to s->list;
    block();
  }
}

  • V(s)：将 s 加 1。此操作是原子的。同时，如果 s 此时正造成某个进程阻塞，那么将那个进程唤醒。

    或者，参考下面的定义：

    signal(semaphore_t *s) {
  atomic s->value++;
  if (s->value <= 0) {
    remove process p from s->list;
    wakeup(p);
  }
}

对于值总是 0 或 1 的信号量，称为二元信号量。以提供互斥操作为目的的二元信号量称为互斥锁。以资源计数为目的的信号量称为计数信号量。

信号量的使用

引入信号量的目的是将每个共享变量与一个信号量联系起来，利用信号量非负的性质，将临界区「包」起来，保证多个进程不能同时占有共享变量。P 操作相当于「加锁」，而 V 操作相当于「解锁」。

例如，有共享变量

volatile int cnt = 0;

现在有多个进程都可能写入它。我们可以为这个变量定义和初始化一个互斥锁：

sem_t mutex;
sem_init(&mutex, 0, 1 /* initial value */ );

当需要操作 cnt 时，用 P 和 V 操作加锁、解锁：

P(&mutex);
cnt++;
V(&mutex);

死锁

死锁是一种因多个进（线）程循环等待资源造成无法执行的恶性局面。例如：

甲：我有故事给我酒
乙：我有酒给我故事

结果甲一直在等酒，乙一直在等故事，双方僵持。

  • 互斥使用：至少有一个资源的使用是互斥的。

  • 不可抢占：资源只能自愿放弃。

  • 持有和等待：进程必须占有资源，然后再申请。

  • 循环等待：在资源分配图中存在一个环路。