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