運用PV心法解決多線程問題

    總結寫在前面：

            1.注意設置的信號量的初值。

            2.無論如何變，只要緊緊的抓住同步和互斥來分析問題。

            3.先靠濾同步狀況即全部「等待」狀況。有幾個「等待」信號量類型就有幾個。

            4. 接下來靠濾要互斥處理的資源。

        先講講PV操做的起源和用法。

        1962，荷蘭學者Dijksrta在參與X8計算機的開發中設計並實現了具備多道程序運行能力的操做系統——THE Multiprogramming System。爲了解決這個操做系統中進程（線程）的同步與互斥問題，他巧妙地利用火車運行控制系統中的「信號燈」（semaphore，或叫「信號量」）概念加以解決。信號量的值大於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，這個信號量的值僅能由PV操做來改變。

        PV操做由P操做原語和V操做原語組成（原語也叫原子操做Atomic Operation，是不可中斷的過程），對信號量（注意不要和Windows中的信號量機制相混淆）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。

    V(S)：

①將信號量S的值加1，即S=S+1；

②該進程繼續執行；若是該信號的等待隊列中有等待進程就喚醒一等待進程。

         用PV操做實現多線程的同步與互斥是很是簡單的，只要靠慮邏輯處理上合理嚴密而不用靠慮具體技術細節，所以與寫僞代碼較爲類似。好比有多個進程P1、P2、 ……PN。它們要互斥的訪問一個資源。用PV操做來實現就很是方便直觀。下面是PV操做代碼：

設置信號量爲S，初值爲1。各進程的操做流程以下：

進程P1              進程P2           ……          進程Pn

P（S）；              P（S）；                           P（S）；

訪問資源；         訪問資源；                      訪問資源；

V（S）；             V（S）；                          V（S）；

        能夠看出PV操做會忽略具體的編程細節，讓程序員的主要精力放在線程同步互斥的邏輯處理上。所以，經過練習PV操做能快速有效提升程序員對多線程的邏輯思惟能力，達到強化「內功」的目的。

        

第一題 放水果 南京大學計算機研真題

        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。

        這個題目涉及的東西很是之多，光人物就有三個再加水果，盤子等等，確實讓人感受好像無從下手。但無論題目如何變，只要緊緊的抓住同步和互斥來分析問題就一定能迎刃而解。

        下面先靠慮同步狀況即全部「等待」狀況：

第一．爸爸要等待盤子爲空。

第二．兒子要等待盤中水果是桔子。

第三．女兒要等待盤中水果是蘋果。

        接下來來靠慮要互斥處理的資源，看起來盤子好像是要做互斥處理的，但因爲題目中的爸爸、兒子、女兒均只有一個，而且他們訪問盤子的條件都不同，因此他們根本不會同時去訪問盤子，所以盤子也就不用做互斥處理了。分析至些，這個題目已經沒有難度了，下面用PV原語給出：

先設置三個信號量，信號量Orange表示盤中有桔子，初值爲0。信號量Apple表示盤中有蘋果，初值爲0。信號量EmptyDish表示盤子爲空，初值爲1。三我的的操做流程以下所示：

1．爸爸

P(EmptyDish)

if (rand()%2==0)

{   

    放桔子

    V(Orange)

}

else

{

    放蘋果

    V(Apple)

}

 

2．兒子

P(Orange)

取桔子

V(EmptyDish)

 

3．女兒

P(Apple)

取蘋果

V(EmptyDish)

 

 

第二題 安全島 南開大學研真題

在南開大學至天津大學間有一條彎曲的路，每次只容許一輛自行車經過，但中間有小的安全島M（同時容許兩輛車），可供兩輛車在已進入兩端小車錯車，設計算法並使用P，V實現。

這個問題應該如何靠慮了？一樣只要緊緊的抓住同步和互斥來分析問題就一定能迎刃而解。

靠慮全部「等待」狀況：

在路口N準備從N到T的人應該何時進入了？若是他只判斷道路K上有沒有人確定是不行的，由於若是安全島M上已經有2我的，那麼路口N和路口T再各進一人，確定會形成死鎖。所以能夠這樣——在路口N準備從N到T的人要等待與他同方向的人已經到達T，若是此人已經到達T，且道路K上沒有人，他一定能夠上路了。同理在路口T準備從T到N的人也應該這樣作。

再靠慮互斥狀況：

路上每次只容許一輛自行車經過，因此道路是須要做互斥處理的。

 

分析以後，下面就用PV原語給出：

設置信號量NT表示在路口N且從N到T方向上容許出發的自行車數量，初值爲1。信號量TN表示在路口T且從T到N方向上容許出發的自行車數量，初值爲1。信號量K和L表示道路，初值均爲1。這樣從N到T的車和從T到N的車的行駛流程以下：

從N到T的車                     從T到N的車

P(NT)                P(TN)

P(K)                 P(L)

由N到M               由T到M

V(K)                 V(L)

P(L)                 P(K)

由M到T               由M到T

V(L)                 V(K)

V(NT)                V(TN)

 

這個題目的解法有不少，好比還能夠用信號量M來記錄安全島M上空位個數，初值爲2。每一個進入道路前的人都要先預訂安全島上的空位，訂到後再互斥的進入道路。不然就要等待安全島上有空位。信號量K和L表示道路，初值均爲1。而後從N到T的車和從T到N的車的行駛流程以下：

從N到T的車                 從T到N的車

P(M)                 P(M)

P(K)                 P(L)

由N到M               由T到M

V(K)                 V(L)

P(L)                 P(K)

V(M)                 V(M)

由M到T               由M到T

V(L)                 V(K)

 

        這種解決方法也是不會形成死鎖的。安全島的解法很是之多，網上還有很多不一樣的解法，有興趣的童鞋能夠搜索一下。