信號量與PV操做
在計算機操做系統中，PV操做是進程管理中的難點。
首先應弄清PV操做的含義：PV操做由P操做原語和V操做原語組成（原語是不可中斷的過程），對信號量進行操做，具體定義以下：
P（S）：①將信號量S的值減1，即S=S-1；
②若是S³0，則該進程繼續執行；不然該進程置爲等待狀態，排入等待隊列。
V（S）：①將信號量S的值加1，即S=S+1；
②若是S>0，則該進程繼續執行；不然釋放隊列中第一個等待信號量的進程。
PV操做的意義：咱們用信號量及PV操做來實現進程的同步和互斥。PV操做屬於進程的低級通訊。數據結構
什麼是信號量？信號量（semaphore）的數據結構爲一個值和一個指針，指針指向等待該信號量的下一個進程。信號量的值與相應資源的使用狀況有關。當它的值大於0時，表示當前可用資源的數量；當它的值小於0時，其絕對值表示等待使用該資源的進程個數。注意，信號量的值僅能由PV操做來改變。
通常來講，信號量S³0時，S表示可用資源的數量。執行一次P操做意味着請求分配一個單位資源，所以S的值減1；當S<0時，表示已經沒有可用資源，請求者必須等待別的進程釋放該類資源，它才能運行下去。而執行一個V操做意味着釋放一個單位資源，所以S的值加1；若S£0，表示有某些進程正在等待該資源，所以要喚醒一個等待狀態的進程，使之運行下去。併發
利用信號量和PV操做實現進程互斥的通常模型是：
進程P1 進程P2 …… 進程Pn
…… …… ……
P（S）； P（S）； P（S）；
臨界區； 臨界區； 臨界區；
V（S）； V（S）； V（S）；
…… …… …… ……函數
其中信號量S用於互斥，初值爲1。
使用PV操做實現進程互斥時應該注意的是：
（1）每一個程序中用戶實現互斥的P、V操做必須成對出現，先作P操做，進臨界區，後作V操做，出臨界區。如有多個分支，要認真檢查其成對性。
（2）P、V操做應分別緊靠臨界區的頭尾部，臨界區的代碼應儘量短，不能有死循環。
（3）互斥信號量的初值通常爲1。工具
利用信號量和PV操做實現進程同步
PV操做是典型的同步機制之一。用一個信號量與一個消息聯繫起來，當信號量的值爲0時，表示指望的消息還沒有產生；當信號量的值非0時，表示指望的消息已經存在。用PV操做實現進程同步時，調用P操做測試消息是否到達，調用V操做發送消息。
使用PV操做實現進程同步時應該注意的是：測試
（1）分析進程間的制約關係，肯定信號量種類。在保持進程間有正確的同步關係狀況下，哪一個進程先執行，哪些進程後執行，彼此間經過什麼資源（信號量）進行協調，從而明確要設置哪些信號量。
（2）信號量的初值與相應資源的數量有關，也與P、V操做在程序代碼中出現的位置有關。
（3）同一信號量的P、V操做要成對出現，但它們分別在不一樣的進程代碼中。spa
【例1】生產者-消費者問題
在多道程序環境下，進程同步是一個十分重要又使人感興趣的問題，而生產者-消費者問題是其中一個有表明性的進程同步問題。下面咱們給出了各類狀況下的生產者-消費者問題，深刻地分析和透徹地理解這個例子，對於全面解決操做系統內的同步、互斥問題將有很大幫助。操作系統
（1）一個生產者，一個消費者，公用一個緩衝區。
定義兩個同步信號量：
empty——表示緩衝區是否爲空，初值爲1。
full——表示緩衝區中是否爲滿，初值爲0。
生產者進程
while(TRUE){
生產一個產品;
P(empty);
產品送往Buffer;
V(full);
}
消費者進程
while(True){
P(full);
從Buffer取出一個產品;
V(empty);
消費該產品;
}
（2）一個生產者，一個消費者，公用n個環形緩衝區。
定義兩個同步信號量：
empty——表示緩衝區是否爲空，初值爲n。
full——表示緩衝區中是否爲滿，初值爲0。指針
設緩衝區的編號爲1～n-1，定義兩個指針in和out，分別是生產者進程和消費者進程使用的指
，指向下一個可用的緩衝區。
生產者進程
while(TRUE){
生產一個產品;
P(empty);
產品送往buffer（in）；
in=(in+1)mod n；
V(full);
}
消費者進程
while(TRUE){
P(full);
從buffer（out）中取出產品；
out=(out+1)mod n；
V(empty);
消費該產品;
}
（3）一組生產者，一組消費者，公用n個環形緩衝區
在這個問題中，不只生產者與消費者之間要同步，並且各個生產者之間、各個消費者之間還必須互斥地訪問緩衝區。
定義四個信號量：
empty——表示緩衝區是否爲空，初值爲n。
full——表示緩衝區中是否爲滿，初值爲0。
mutex1——生產者之間的互斥信號量，初值爲1。
mutex2——消費者之間的互斥信號量，初值爲1。隊列
設緩衝區的編號爲1～n-1，定義兩個指針in和out，分別是生產者進程和消費者進程使用的指針，指向下一個可用的緩衝區。
生產者進程
while(TRUE){
生產一個產品;
P(empty);
P(mutex1)；
產品送往buffer（in）；
in=(in+1)mod n；
V(mutex1);
V(full);
}
消費者進程
while(TRUE){
P(full)
P(mutex2)；
從buffer（out）中取出產品；
out=(out+1)mod n；
V（mutex2）；
V(empty);
消費該產品;
}
須要注意的是不管在生產者進程中仍是在消費者進程中，兩個P操做的次序不能顛倒。應先執行同步信號量的P操做，而後再執行互斥信號量的P操做，不然可能形成進程死鎖。進程
【例2】桌上有一空盤，容許存放一隻水果。爸爸可向盤中放蘋果，也可向盤中放桔子，兒子專等吃盤中的桔子，女兒專等吃盤中的蘋果。規定當盤空時一次只能放一隻水果供吃者取用，請用P、V原語實現爸爸、兒子、女兒三個併發進程的同步。
分析 在本題中，爸爸、兒子、女兒共用一個盤子，盤中一次只能放一個水果。當盤子爲空時，爸爸可將一個水果放入果盤中。若放入果盤中的是桔子，則容許兒子吃，女兒必須等待；若放入果盤中的是蘋果，則容許女兒吃，兒子必須等待。本題其實是生產者-消費者問題的一種變形。這裏，生產者放入緩衝區的產品有兩類，消費者也有兩類，每類消費者只消費其中固定的一類產品。
解：在本題中，應設置三個信號量S、So、Sa，信號量S表示盤子是否爲空，其初值爲l；信號量So表示盤中是否有桔子，其初值爲0；信號量Sa表示盤中是否有蘋果，其初值爲0。同步描述以下：
int S＝1;
int Sa＝0;
int So＝0;
main()
{
cobegin
father(); /*父親進程*/
son(); /*兒子進程*/
daughter(); /*女兒進程*/
coend
｝
father()
{
while(1)
{
P(S);
將水果放入盤中;
if（放入的是桔子）V(So);
else V(Sa);
}
}
son()
{
while(1)
{
P(So);
從盤中取出桔子;
V(S);
吃桔子;
｝
}
daughter()
{
while(1)
{
P(Sa);
從盤中取出蘋果;
V(S);
吃蘋果;
｝
｝
思考題：
四個進程A、B、C、D都要讀一個共享文件F，系統容許多個進程同時讀文件F。但限制是進程A和進程C不能同時讀文件F，進程B和進程D也不能同時讀文件F。爲了使這四個進程併發執行時能按系統要求使用文件，現用PV操做進行管理，請回答下面的問題：
（1）應定義的信號量及初值： 。
（2）在下列的程序中填上適當的P、V操做，以保證它們能正確併發工做：
A() B() C() D()
{ { { {
[1]; [3]; [5]; [7];
read F; read F; read F; read F;
[2]; [4]; [6]; [8];
} } } }
思考題解答：
（1）定義二個信號量S一、S2，初值均爲1，即：S1=1，S2=1。其中進程A和C使用信號量S1，進程B和D使用信號量S2。
（2）從[1]到[8]分別爲：P(S1) V(S1) P(S2) V(S2) P(S1) V(S1) P(S2) V(S2)
具體PV原語對信號量的操做能夠分爲三種狀況：
1） 把信號量視爲一個加鎖標誌位，實現對一個共享變量的互斥訪問。
實現過程：
P(mutex); // mutex的初始值爲1
訪問該共享數據;
V(mutex);
非臨界區
2） 把信號量視爲是某種類型的共享資源的剩餘個數，實現對一類共享資源的訪問。
實現過程：
P(resource); // resource的初始值爲該資源的個數N
使用該資源；
V(resource);
非臨界區
3） 把信號量做爲進程間的同步工具
實現過程：
臨界區C1； P(S);
V(S); 臨界區C2；
下面用幾個例子來具體說明：
例1：某超市門口爲顧客準備了100輛手推車，每位顧客在進去買東西時取一輛推車，在買完東西結完賬之後再把推車還回去。試用P、V操做正確實現顧客進程的同步互斥關係。
分析：把手推車視爲某種資源，每一個顧客爲一個要互斥訪問該資源的進程。所以這個例子爲PV原語的第二種應用類型。
解：semaphore S_CartNum; // 空閒的手推車數量， 初值爲100
void consumer(void) // 顧客進程
{
P(S_CartNum);
買東西；
結賬；
V(S_CartNum);
}
例2：桌子上有一個水果盤，每一次能夠往裏面放入一個水果。爸爸專向盤子中放蘋果，兒子專等吃盤子中的蘋果。把爸爸、兒子看做二個進程，試用P、V操做使這四個進程能正確地併發執行。
分析：爸爸和兒子兩個進程相互制約，爸爸進程執行完即往盤中放入蘋果後，兒子進程才能執行即吃蘋果。所以該問題爲進程間的同步問題。
解：semaphore S_PlateNum; // 盤子容量，初值爲1
semaphore S_AppleNum; // 蘋果數量，初值爲0
void father( ) // 父親進程
{
while(1)
{
P(S_PlateNum);
往盤子中放入一個蘋果；
V(S_AppleNum);
}
}
void son( ) // 兒子進程
{
while(1)
{
P(S_AppleNum);
從盤中取出蘋果；
V(S_PlateNum);
吃蘋果；
}
}
另附用PV原語解決進程同步與互斥問題的例子:
經典IPC問題如：生產者－消費者，讀者－寫者，哲學家就餐，睡着的理髮師等可參考相關教材。
1、兩個進程PA、PB經過兩個FIFO（先進先出）緩衝區隊列鏈接（如圖）
|
PA |
|
PB |
|
Q1 |
|
Q2 |
PA從Q2取消息，處理後往Q1發消息，PB從Q1取消息，處理後往Q2發消息，每一個緩衝區長度等於傳送消息長度. Q1隊列長度爲n，Q2隊列長度爲m. 假設開始時Q1中裝滿了消息，試用P、V操做解決上述進程間通信問題。
解：// Q1隊列當中的空閒緩衝區個數，初值爲0
semaphore S_BuffNum_Q1;
// Q2隊列當中的空閒緩衝區個數，初值爲m
semaphore S_BuffNum_Q2;
// Q1隊列當中的消息數量，初值爲n
semaphore S_MessageNum_Q1;
// Q2隊列當中的消息數量，初值爲0
semaphore S_MessageNum_Q2;
void PA( )
{
while(1)
{
P(S_MessageNum_Q2);
從Q2當中取出一條消息；
V(S_BuffNum_Q2);
處理消息；
生成新的消息；
P(S_BuffNum_Q1);
把該消息發送到Q1當中；
V(S_MessageNum_Q1);
}
}
void PB( )
{
while(1)
{
P(S_MessageNum_Q1);
從Q1當中取出一條消息；
V(S_BuffNum_Q1);
處理消息；
生成新的消息；
P(S_BuffNum_Q2);
把該消息發送到Q2當中；
V(S_MessageNum_Q2);
}
}
2、《操做系統》課程的期末考試即將舉行，假設把學生和監考老師都看做進程，學生有N人，教師1人。考場門口每次只能進出一我的，進考場的原則是先來先進。當N個學生都進入了考場後，教師才能髮捲子。學生交卷後便可離開考場，而教師要等收上來所有卷子並封裝卷子後才能離開考場。
(1)問共需設置幾個進程?
(2)請用P、V操做解決上述問題中的同步和互斥關係。
解：semaphore S_Door; // 可否進出門，初值1
semaphore S_StudentReady; // 學生是否到齊，初值爲0
semaphore S_ExamBegin; // 開始考試，初值爲0
semaphore S_ExamOver; // 考試結束，初值爲0
int nStudentNum = 0; // 學生數目
semaphore S_Mutex1 //互斥信號量，初值爲1
int nPaperNum = 0; // 已交的卷子數目
semaphore S_Mutex2 //互斥信號量，初值爲1
void student( )
{
P(S_Door);
進門；
V(S_Door);
P(S_Mutex1)；
nStudentNum ++; // 增長學生的個數
if(nStudentNum == N) V(S_StudentReady);
V(S_Mutex1);
P(S_ExamBegin); // 等老師宣佈考試開始
考試中…
交卷；
P(S_Mutex2)；
nPaperNum ++; // 增長試卷的份數
if(nPaperNum == N) V(S_ExamOver);
V(S_Mutex2);
P(S_Door);
出門；
V(S_Door);
}
void teacher( )
{
P(S_Door);
進門；
V(S_Door);
P(S_StudentReady)；//等待最後一個學生來喚醒
髮捲子;
for(i = 1; i <= N; i++) V(S_ExamBegin);
P(S_ExamOver); // 等待考試結束
封裝試卷；
P(S_Door);
出門；
V(S_Door);
}
3、某商店有兩種食品A和B，最大數量均爲m個。 該商店將A、B兩種食品搭配出售，每次各取一個。爲避免食品變質，遵循先到食品先出售的原則。有兩個食品公司分別不斷地供應A、B兩種食品(每次一個)。爲保證正常銷售，當某種食品的數量比另外一種的數量超過k(k<m)< font="">個時，暫停對數量大的食品進貨，補充數量少的食品。
(1) 問共需設置幾個進程?
(2) 用P、V操做解決上述問題中的同步互斥關係。
解：semaphore S_BuffNum_A; //A的緩衝區個數, 初值m
semaphore S_Num_A; // A的個數，初值爲0
semaphore S_BuffNum_B; //B的緩衝區個數, 初值m
semaphore S_Num_B; // B的個數，初值爲0
void Shop( )
{
while(1)
{
P(S_Num_A);
P(S_Num_B)；
分別取出A、B食品各一個;
V(S_BuffNum_A);
V(S_BuffNum_A);
搭配地銷售這一對食品;
}
}
// 「A食品加1，而B食品不變」這種情形容許出現的次數(許可證的數量)，其值等於//k-(A-B)，初值爲k
semaphore S_A_B;
// 「B食品加1，而A食品不變」這種情形容許出現的次數(許可證的數量)，其值等於//k-(B-A)，初值爲k
semaphore S_B_A;
void Producer_A ( )
{
while(1)
{
生產一個A食品；
P(S_BuffNum_A)；
P(S_A_B);
向商店提供一個A食品；
V(S_Num_A);
V(S_B_A);
}
}
void Producer_B ( )
{
while(1)
{
生產一個B食品；
P(S_BuffNum_B)；
P(S_B_A);
向商店提供一個B食品；
V(S_Num_B);
V(S_A_B);
}
}
四：在一棟學生公寓裏，只有一間浴室，並且這間浴室很是小，每一次只能容納一我的。公寓裏既住着男生也住着女生，他們不得不分享這間浴室。所以，樓長制定瞭如下的浴室使用規則：（1）每一次只能有一我的在使用；（2）女生的優先級要高於男生，即若是同時有男生和女生在等待使用浴室，則女生優先；（3）對於相同性別的人來講，採用先來先使用的原則。
假設：
（1）當一個男生想要使用浴室時，他會去執行一個函數boy_wants_to_use_bathroom，當他離開浴室時，也會去執行另一個函數boy_leaves_bathroom；
（2）當一個女生想要使用浴室時，會去執行函數girl_wants_to_use_bathroom，當她離開時, 也會執行函數girl_leaves_bathroom;
問題：請用信號量和P、V操做來實現這四個函數（初始狀態：浴室是空的）。
解：信號量的定義：
semaphore S_mutex; // 互斥信號量，初值均爲1
semaphore S_boys; // 男生等待隊列，初值爲0
semaphore S_girls; // 女生等待隊列，初值爲0
普通變量的定義：
int boys_waiting = 0; // 正在等待的男生數；
int girls_waiting = 0; // 正在等待的女生數；
int using = 0; // 當前是否有人在使用浴室;
void boy_wants_to_use_bathroom ( )
{
P(S_mutex);
if((using == 0) && (girls_waiting == 0))
{
using = 1;
V(S_mutex);
}
else
{
boys_waiting ++;
V(S_mutex);
P(S_boys);
}
}
void boy_leaves_bathroom ( )
{
P(S_mutex);
if(girls_waiting > 0) // 優先喚醒女生
{
girls_waiting --;
V(S_girls);
}
else if(boys_waiting > 0)
{
boys_waiting --;
V(S_ boys);
}
else using = 0; // 無人在等待
V(S_mutex);
}
void girl_wants_to_use_bathroom ( )
{
P(S_mutex);
if(using == 0)
{
using = 1;
V(S_mutex);
}
else
{
girls_waiting ++;
V(S_mutex);
P(S_girls);
}
}
void girl_leaves_bathroom ( )
{
P(S_mutex);
if(girls_waiting > 0) // 優先喚醒女生
{
girls_waiting --;
V(S_girls);
}
else if(boys_waiting > 0)
{
boys_waiting --;
V(S_ boys);
}
else using = 0; // 無人在等待
V(S_mutex);
}
- 1. 信號量與PV操做
- 2. PV操做與信號量
- 3. 信號量 PV 操做
- 4. 信號量和PV操做
- 5. Linux信號量PV操做
- 6. 信號量PV操做
- 7. 轉 信號量與PV操做
- 8. 操做系統 信號量與PV操做
- 9. 信號量模型——PV操作
- 10. 挑戰408——操作系統（10）——信號量與PV操作
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每一个你不满意的现在，都有一个你没有努力的曾经。
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