信号量和pv操作

在计算机操作系统中，PV操作是进程管理中的难点。首先应弄清PV操作的含义：PV操作由P操作原语和V操作原语组成（原语是不可中断的过程），对信号量进行操作，具体定义如下：P（S）：①将信号量S的值减1，即S=S1；②如果S0，则该进程继续执行；否则该进程置为等待状态，排入等待队列。V（S）：①将信号量S的值加1，即S=S+1；②如果S0，则该进程继续执行；否则释放队列中第一个等待信号量的进程。PV操作的意义：我们用信号量及PV操作来实现进程的同步和互斥。PV操作属于进程的低级通信。什么是信号量？信号量（semaphore）的数据结构为一个值和一个指针，指针指向等待该信号量的下一个进程。信号量的值与相应资源的使用情况有关。当它的值大于0时，表示当前可用资源的数量；当它的值小于0时，其绝对值表示等待使用该资源的进程个数。注意，信号量的值仅能由PV操作来改变。一般来说，信号量S0时，S表示可用资源的数量。执行一次P操作意味着请求分配一个单位资源，因此S的值减1；当S0时，表示已经没有可用资源，请求者必须等待别的进程释放该类资源，它才能运行下去。而执行一个V操作意味着释放一个单位资源，因此S的值加1；若S0，表示有某些进程正在等待该资源，因此要唤醒一个等待状态的进程，使之运行下去。利用信号量和PV操作实现进程互斥的一般模型是：进程P1进程P2……进程Pn………………P（S）；P（S）；P（S）；临界区；临界区；临界区；V（S）；V（S）；V（S）；……………………其中信号量S用于互斥，初值为1。使用PV操作实现进程互斥时应该注意的是：（1）每个程序中用户实现互斥的P、V操作必须成对出现，先做P操作，进临界区，后做V操作，出临界区。若有多个分支，要认真检查其成对性。（2）P、V操作应分别紧靠临界区的头尾部，临界区的代码应尽可能短，不能有死循环。（3）互斥信号量的初值一般为1。利用信号量和PV操作实现进程同步PV操作是典型的同步机制之一。用一个信号量与一个消息联系起来，当信号量的值为0时，表示期望的消息尚未产生；当信号量的值非0时，表示期望的消息已经存在。用PV操作实现进程同步时，调用P操作测试消息是否到达，调用V操作发送消息。使用PV操作实现进程同步时应该注意的是：（1）分析进程间的制约关系，确定信号量种类。在保持进程间有正确的同步关系情况下，哪个进程先执行，哪些进程后执行，彼此间通过什么资源（信号量）进行协调，从而明确要设置哪些信号量。（2）信号量的初值与相应资源的数量有关，也与P、V操作在程序代码中出现的位置有关。（3）同一信号量的P、V操作要成对出现，但它们分别在不同的进程代码中。【例1】生产者-消费者问题在多道程序环境下，进程同步是一个十分重要又令人感兴趣的问题，而生产者-消费者问题是其中一个有代表性的进程同步问题。下面我们给出了各种情况下的生产者-消费者问题，深入地分析和透彻地理解这个例子，对于全面解决操作系统内的同步、互斥问题将有很大帮助。（1）一个生产者，一个消费者，公用一个缓冲区。定义两个同步信号量：empty——表示缓冲区是否为空，初值为1。full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。生产者进程while(TRUE){生产一个产品;P(empty);产品送往Buffer;V(full);}消费者进程while(True){P(full);从Buffer取出一个产品;V(empty);消费该产品;}（2）一个生产者，一个消费者，公用n个环形缓冲区。定义两个同步信号量：empty——表示缓冲区是否为空，初值为n。full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。设缓冲区的编号为1～n1，定义两个指针in和out，分别是生产者进程和消费者进程使用的指，指向下一个可用的缓冲区。生产者进程while(TRUE){生产一个产品;P(empty);产品送往buffer（in）；in=(in+1)modn；V(full);}消费者进程while(TRUE){P(full);从buffer（out）中取出产品；out=(out+1)modn；V(empty);消费该产品;}（3）一组生产者，一组消费者，公用n个环形缓冲区在这个问题中，不仅生产者与消费者之间要同步，而且各个生产者之间、各个消费者之间还必须互斥地访问缓冲区。定义四个信号量：empty——表示缓冲区是否为空，初值为n。full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。mutex1——生产者之间的互斥信号量，初值为1。mutex2——消费者之间的互斥信号量，初值为1。设缓冲区的编号为1～n1，定义两个指针in和out，分别是生产者进程和消费者进程使用的指针，指向下一个可用的缓冲区。生产者进程while(TRUE){生产一个产品;P(empty);P(mutex1)；产品送往buffer（in）；in=(in+1)modn；V(mutex1);V(full);}消费者进程while(TRUE){P(full)P(mutex2)；从buffer（out）中取出产品；out=(out+1)modn；V（mutex2）；V(empty);消费该产品;}需要注意的是无论在生产者进程中还是在消费者进程中，两个P操作的次序不能颠倒。应先执行同步信号量的P操作，然后再执行互斥信号量的P操作，否则可能造成进程死锁。【例2】桌上有一空盘，允许存放一只水果。爸爸可向盘中放苹果，也可向盘中放桔子，儿子专等吃盘中的桔子，女儿专等吃盘中的苹果。规定当盘空时一次只能放一只水果供吃者取用，请用P、V原语实现爸爸、儿子、女儿三个并发进程的同步。分析在本题中，爸爸、儿子、女儿共用一个盘子，盘中一次只能放一个水果。当盘子为空时，爸爸可将一个水果放入果盘中。若放入果盘中的是桔子，则允许儿子吃，女儿必须等待；若放入果盘中的是苹果，则允许女儿吃，儿子必须等待。本题实际上是生产者-消费者问题的一种变形。这里，生产者放入缓冲区的产品有两类，消费者也有两类，每类消费者只消费其中固定的一类产品。解：在本题中，应设置三个信号量S、So、Sa，信号量S表示盘子是否为空，其初值为l；信号量So表示盘中是否有桔子，其初值为0；信号量Sa表示盘中是否有苹果，其初值为0。同步描述如下：intS＝1;intSa＝0;intSo＝0;main(){cobeginfather();/*父亲进程*/son();/*儿子进程*/daughter();/*女儿进程*/coend｝father(){while(1){P(S);将水果放入盘中;if（放入的是桔子）V(So);elseV(Sa);}}son(){while(1){P(So);从盘中取出桔子;V(S);吃桔子;｝}daughter(){while(1){P(Sa);从盘中取出苹果;V(S);吃苹果;｝｝思考题：四个进程A、B、C、D都要读一个共享文件F，系统允许多个进程同时读文件F。但限制是进程A和进程C不能同时读文件F，进程B和进程D也不能同时读文件F。为了使这四个进程并发执行时能按系统要求使用文件，现用PV操作进行管理，请回答下面的问题：（1）应定义的信号量及初值：。（2）在下列的程序中填上适当的P、V操作，以保证它们能正确并发工作：A()B()C()D(){{{{[1];[3];[5];[7];readF;readF;readF;readF;[2];[4];[6];[8];}}}}思考题解答：（1）定义二个信号量S1、S2，初值均为1，即：S1=1，S2=1。其中进程A和C使用信号量S1，进程B和D使用信号量S2。（2）从[1]到[8]分别为：P(S1)V(S1)P(S2)V(S2)P(S1)V(S1)P(S2)V(S2)具体PV原语对信号量的操作可以分为三种情况：1）把信号量视为一个加锁标志位，实现对一个共享变量的互斥访问。实现过程：P(mutex);//mutex的初始值为1访问该共享数据;V(mutex);非临界区2）把信号量视为是某种类型的共享资源的剩余个数，实现对一类共享资源的访问。实现过程：P(resource);//resource的初始值为该资源的个数N使用该资源；V(resource);非临界区3）把信号量作为进程间的同步工具实现过程：临界区C1；P(S);V(S);临界区C2；下面用几个例子来具体说明：例1：某超市门口为顾客准备了100辆手推车，每位顾客在进去买东西时取一辆推车，在买完东西结完帐以后再把推车还回去。试用P、V操作正确实现顾客进程的同步互斥关系。分析：把手推车视为某种资源，每个顾客为一个要互斥访问该资源的进程。因此这个例子为PV原语的第二种应用类型。解：semaphoreS_CartNum;//空闲的手推车数量，初值为100voidconsumer(void)//顾客进程{P(S_CartNum);买东西；结帐；V(S_CartNum);}例2：桌子上有一个水果盘，每一次可以往里面放入一个水果。爸爸专向盘子中放苹果，儿子专等吃盘子中的苹果。把爸爸、儿子看作二个进程，试用P、V操作使这四个进程能正确地并发执行。分析：爸爸和儿子两个进程相互制约，爸爸进程执行完即往盘中放入苹果后，儿子进程才能执行即吃苹果。因此该问题为进程间的同步问题。解：semaphoreS_PlateNum;//盘子容量，初值为1semaphoreS_AppleNum;//苹果数量，初值为0voidfather()//父亲进程{while(1){P(S_PlateNum);往盘子中放入一个苹果；V(S_AppleNum);}}voidson()//儿子进程{while(1){P(S_AppleNum);从盘中取出苹果；V(S_PlateNum);吃苹果；}}另附用PV原语解决进程同步与互斥问题的例子:经典IPC问题如：生产者－消费者，读者－写者，哲学家就餐，睡着的理发师等可参考相关教材。一、两个进程PA、PB通过两个FIFO（先进先出）缓冲区队列连接（如图）PAPBQ1Q2PA从Q2取消息，处理后往Q1发消息，PB从Q1取消息，处理后往Q2发消息，每个缓冲区长度等于传送消息长度.Q1队列长度为n，Q2队列长度为m.假设开始时Q1中装满了消息，试用P、V操作解决上述进程间通讯问题。解：//Q1队列当中的空闲缓冲区个数，初值为0semaphoreS_BuffNum_Q1;//Q2队列当中的空闲缓冲区个数，初值为msemaphoreS_BuffNum_Q2;//Q1队列当中的消息数量，初值为nsemaphoreS_MessageNum_Q1;//Q2队列当中的消息数量，初值为0semaphoreS_MessageNum_Q2;voidPA(){while(1){P(S_MessageNum_Q2);从Q2当中取出一条消息；V(S_BuffNum_Q2);处理消息；生成新的消息；P(S_BuffNum_Q1);把该消息发送到Q1当中；V(S_MessageNum_Q1);}}voidPB(){while(1){P(S_MessageNum_Q1);从Q1当中取出一条消息；V(S_BuffNum_Q1);处理消息；生成新的消息；P(S_BuffNum_Q2);把该消息发送到Q2当中；V(S_MessageNum_Q2);}}二、《操作系统》课程的期末考试即将举行，假设把学生和监考老师都看作进程，学生有N人，教师1人。考场门口每次只能进出一个人，进考场的原则是先来先进。当N个学生都进入了考场后，教师才能发卷子。学生交卷后即可离开考场，而教师要等收上来全部卷子并封装卷子后才能离开考场。(1)问共需设置几个进程?(2)请用P、V操作解决上述问题中的同步和互斥关系。解：semaphoreS_Door;//能否进出门，初值1semaphoreS_StudentReady;//学生是否到齐，初值为0semaphoreS_ExamBegin;//开始考试，初值为0semaphoreS_ExamOver;//考试结束，初值为0intnStudentNum=0;//学生数目semaphoreS_M