引 言
　　在對(duì)實(shí)時(shí)采集更新的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，往往會(huì)遇到數(shù)據(jù)更新速度與數(shù)據(jù)處理的速度不匹配的問(wèn)題。這種情況下，會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失而導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理結(jié)果不準(zhǔn)確，甚至?xí)?lái)不可預(yù)測(cè)的后果，因此需要一種機(jī)制來(lái)協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)更新與數(shù)據(jù)處理，從而保證數(shù)據(jù)的完整性和處理結(jié)果的準(zhǔn)確性。作為一個(gè)多任務(wù)、多用戶操作系統(tǒng)，Linux支持多個(gè)進(jìn)程在系統(tǒng)中并發(fā)運(yùn)行，由于進(jìn)程本身的動(dòng)態(tài)特性，用來(lái)描述實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理非常合適，因此，解決好Linux進(jìn)程間的同步與通信問(wèn)題就能解決實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的問(wèn)題。
　　在Linux環(huán)境下，進(jìn)程通常存在運(yùn)行（running）、阻塞（blocked）、就緒（ready）、終止（terminated）四種狀態(tài)。當(dāng)多個(gè)進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)進(jìn)程間的競(jìng)態(tài)。我們希望進(jìn)程能協(xié)調(diào)彼此間的行為，使得一個(gè)進(jìn)程只有在其他的進(jìn)程執(zhí)行到一個(gè)特定的點(diǎn)時(shí)才會(huì)執(zhí)行一個(gè)動(dòng)作，即控制同步；同時(shí)，當(dāng)并發(fā)進(jìn)程訪問(wèn)共享數(shù)據(jù)時(shí)不應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)條件。這一點(diǎn)通過(guò)在訪問(wèn)共享數(shù)據(jù)時(shí)執(zhí)行互斥來(lái)確保，即數(shù)據(jù)訪問(wèn)同步。
　　實(shí)現(xiàn)同步的基本技術(shù)是阻塞一個(gè)進(jìn)程，直到一個(gè)特定條件滿足為止；實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問(wèn)同步是通過(guò)阻塞一個(gè)進(jìn)程直到另外的進(jìn)程完成訪問(wèn)共享數(shù)據(jù)。
　　1 有限長(zhǎng)度緩沖區(qū)的生產(chǎn)者一消費(fèi)者問(wèn)題模型
　　當(dāng)僅存在單個(gè)生產(chǎn)者和消費(fèi)者時(shí)，生產(chǎn)進(jìn)程和消費(fèi)進(jìn)程所對(duì)應(yīng)的是同樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它們共享同一個(gè)數(shù)據(jù)空間。生產(chǎn)進(jìn)程和消費(fèi)進(jìn)程如何進(jìn)行相互協(xié)調(diào)，使得消費(fèi)進(jìn)程每次使用的數(shù)據(jù)都是生產(chǎn)進(jìn)程新生產(chǎn)寫人的，又使生產(chǎn)進(jìn)程新寫入的數(shù)據(jù)不會(huì)覆蓋還未被消費(fèi)進(jìn)程讀出使用的數(shù)據(jù)，是該問(wèn)題模型實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問(wèn)題。
　　在生產(chǎn)者一消費(fèi)者問(wèn)題模型中，生產(chǎn)者進(jìn)程不斷生產(chǎn)產(chǎn)品并把它們放入緩沖區(qū)，消費(fèi)者進(jìn)程不斷從緩沖區(qū)中取走產(chǎn)品進(jìn)行消費(fèi)。當(dāng)緩沖區(qū)中產(chǎn)品已經(jīng)放滿時(shí)，表示生產(chǎn)速度高于消費(fèi)速度，出現(xiàn)了供過(guò)于求，此時(shí)生產(chǎn)者必須等待產(chǎn)品被消費(fèi)；當(dāng)緩沖區(qū)為空時(shí)，表示消費(fèi)速度高于生產(chǎn)速度，出現(xiàn)了供不應(yīng)求，此時(shí)消費(fèi)者進(jìn)程必須等待產(chǎn)品的生產(chǎn)。生產(chǎn)和消費(fèi)的進(jìn)程必須達(dá)到同步運(yùn)行，才能實(shí)現(xiàn)供需平衡。
　　處理讀寫同步的兩種常見的策略被稱為“強(qiáng)讀者同步（strong reader synchronization）”和“強(qiáng)寫者同步（strongwriter synchronization）”。在強(qiáng)讀者同步中，總是給讀者以優(yōu)先權(quán)，只要寫者當(dāng)前沒有進(jìn)行寫操作，讀者就可以獲得訪問(wèn)權(quán)；在強(qiáng)寫者同步中，寫者總是獲得優(yōu)先權(quán)，只要強(qiáng)讀者當(dāng)前沒有進(jìn)行讀操作，寫者就可以獲得訪問(wèn)權(quán)。而生產(chǎn)者消費(fèi)者同步與單純的讀寫同步又有不同，消費(fèi)者可以通過(guò)訪問(wèn)資源對(duì)資源進(jìn)行刪除或銷毀。
　　一個(gè)有限長(zhǎng)度緩沖區(qū)的生產(chǎn)者消費(fèi)者問(wèn)題模型，是由若干生產(chǎn)者和消費(fèi)者進(jìn)程以及一個(gè)有限的緩沖池構(gòu)成的。每個(gè)緩沖區(qū)能夠存儲(chǔ)一個(gè)信息記錄，一個(gè)生產(chǎn)者一次生產(chǎn)一個(gè)信息記錄。產(chǎn)生一個(gè)記錄之后，等待單獨(dú)進(jìn)入一個(gè)空的緩沖區(qū)后將記錄寫入緩沖區(qū)。一個(gè)消費(fèi)者進(jìn)程一次消費(fèi)一個(gè)信息記錄。當(dāng)它需要消費(fèi)時(shí)，它等待單獨(dú)進(jìn)入一個(gè)滿的緩沖區(qū)后將記錄讀出。
　　通過(guò)上面的描述可以得出，解決生產(chǎn)者一消費(fèi)者問(wèn)題模型的方案需要滿足以下幾個(gè)條件：
　　◇生產(chǎn)者不應(yīng)覆蓋一個(gè)滿的緩沖區(qū)；
　　◇消費(fèi)者不應(yīng)使用一個(gè)空的緩沖區(qū)；
　　◇生產(chǎn)者和消費(fèi)者應(yīng)按互斥方式訪問(wèn)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；
　　◇數(shù)據(jù)必須按照先進(jìn)先出（FIFO）方式；
　　◇不能出現(xiàn)忙等待。
　　必須避免數(shù)據(jù)寫進(jìn)程不斷、反復(fù)地檢查緩沖區(qū)直到找到一個(gè)空緩沖區(qū)為止，而讀進(jìn)程也必須避免不斷檢查直到找到一個(gè)滿緩沖區(qū)為止。這相當(dāng)于系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生忙等待，是在僅使用臨界段（CS）算法實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步時(shí)難以避免的問(wèn)題。
　　針對(duì)問(wèn)題模型解決方案的限制條件，采用信號(hào)量方式解決實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)處理的進(jìn)程同步問(wèn)題，即上述的生產(chǎn)者一消費(fèi)者問(wèn)題模型。
　　信號(hào)量是一個(gè)非負(fù)值的共享整數(shù)值，只能用于初始化和不可分操作。不可分操作是指在對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)D進(jìn)行操作時(shí)不能與任何其他對(duì)D的操作重疊的操作。定義操作P和V為不可分操作。P和V的不可分性意味著這些操作不能并發(fā)執(zhí)行，避免了對(duì)信號(hào)量的競(jìng)爭(zhēng)條件。定義P和V的操作語(yǔ)義為：
　　
　　由上述定義的語(yǔ)義看，對(duì)一個(gè)信號(hào)量S的操作，P和V為改變S的值，或者掛起或喚醒一個(gè)對(duì)S進(jìn)行P操作的進(jìn)程。被掛起的進(jìn)程為阻塞狀態(tài)，因而避免了忙等待問(wèn)題。一個(gè)二進(jìn)制的信號(hào)量只取0和1，用來(lái)實(shí)現(xiàn)互斥。
　　在P和V操作中，對(duì)進(jìn)程的阻塞和喚醒需要操作系統(tǒng)的進(jìn)程管理組件的參與，因此信號(hào)量會(huì)被操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)而不是應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)。