操做系統中的P,V操做（轉）

不管是計算機考研、計算機軟件水平考試、計算機操做系統期末考試仍是其餘計算機崗位考試，P、V原語操做都是一個常考點。下面筆者總結了關於P、V操做的一些知識。

信號量是最先出現的用來解決進程同步與互斥問題的機制(也可實現進程通訊)，包括一個稱爲信號量的變量及對它進行的兩個原語操做。信號量爲一個整數，咱們設這個信號量爲：sem。很顯然，咱們規定在sem大於等於零的時候表明可供併發進程使用的資源實體數，sem小於零的時候，表示正在等待使用臨界區的進程的個數。根據這個原則，在給信號量附初值的時候，咱們顯然就要設初值大於零。

p操做和v操做是不可中斷的程序段，稱爲原語。P,V原語中P是荷蘭語的Passeren，至關於英文的pass, V是荷蘭語的Verhoog,至關於英文中的incremnet。

且在P,V原語執行期間不容許有中斷的發生。

對於具體的實現，方法很是多，能夠用硬件實現，也能夠用軟件實現。這種信號量機制必須有公共內存，不能用於分佈式操做系統，這是它最大的弱點。

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S>=0，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。

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S>=0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

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）；

……                     ……                  ……               ……

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。

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。

利用信號量和PV操做實現進程互斥的通常模型是：

進程A                            進程B

  ....                            ....

L: P(信號量)                     L2:V(信號量）

  ....                            ....

使用PV操做實現進程同步時應該注意的是：

（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。

【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。

（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。

             設緩衝區的編號爲1～n&61485;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);

              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。

             設緩衝區的編號爲1～n&61485;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。

【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();              

                     son();                

                     daughter();            

                 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;

                    }

             }

例題3 設公交車上,司機和售票員的活動以下：司機;啓動車輛;正常行使,到站停車. 售票員;關車門,售票 開車門. 在汽車不斷到站 停車行駛過程當中這兩個活動有什麼同步關係? 用信號量和pv操做實現。

設信號量爲s1(是否開車)和s2(是否停車),s1=1,s2=0;

司機進程：                      售票員進程：

begin                           begin

L1:                             L2:

P(S1);                          關閉車門；

啓動車輛；                      V(s1);  

正常行駛；                      售票；

V(s2）；                        P(s2);

goto L1;                        開車門；

end；                           goto L2;

                                end；

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)

信號量、PV操做是解決進程間的同步與互斥問題的。

★     作題時尤爲要注意隱藏的同步、互斥問題。這些問題一般能夠納入生產者－消費者問題和閱讀者－寫入者問題。

★     PV操做必定是成對出現的，可是這不意味着它會在一個進程內成對出現。

★     在互斥關係中，PV操做必定是在一個進程內成對出現。並且，信號必定大於0,具體多少視狀況而定。而對於同步關係，則一對PV操做在兩個進程或者更多的進程中出現。

★     對於同步關係，信號量可能爲0，也可能不爲0；用於同步的信號個數可能1個，也多是多個。

★     對信號量爲1的，應該先執行V操做。

★     在生產者－消費者問題中，要設置三個信號量：empty－空閒的緩存區數量，初值爲n；full－已填充的緩存區數量，初值爲0；mutex－保證只有一個進程在寫入緩存區，初值爲1。

 ★     在閱讀者－寫入者問題中，設置兩個信號量：信號量access－控制寫入互斥，初值爲1；信號量rc－控制對共享變量ReadCount（讀者統計值）的互斥訪問。