关于PV操作和信号量临界值的一些理解

Posted 2023-02-14 没头发的米糊

进程通常分为就绪、运行和阻塞三个工作状态。在编写需要使用资源的异步程序时，由于资源占用导致的进程三个状态之间的转换就是靠PV操作来控制的。PV操作主要就是P操作、V操作和信号量。其中信号量起到了至关重要的作用。

在wait(P操作)中，首先将资源的信号量-1，如果此时资源信号量<0，则阻塞该申请资源的进程。

在signal(V操作)中，首先将资源的信号量+1，如果此时资源信号量<=0，则唤醒一个因申请该资源被阻塞的进程。
也就是说，信号量>=0时，代表的是剩余资源数目；信号量<=0时，其绝对值代表的是申请该资源得不到而被阻塞的进程的数目。

有一个误区必须要清楚：并不是信号量>=0时才可以有进程进入临界区，当信号量<0时它已经不代表剩余资源数目，因此当信号量<0时，占用资源的程序执行完临界区代码，使用V操作释放资源时，它会唤醒一个被阻塞的进程，将资源交给这个被唤醒的进程使用。该进程唤醒时已经在临界区内，它会继续执行临界区代码。

 理清楚以上的定义，就很好理解信号量临界值的问题了：

当执行P操作时，先将信号量-1，如果信号量变为0，说明资源刚好用完，不需要阻塞进程；只有当信号量<0时，才说明原来资源已经没有了，需要阻塞申请资源的进程。

当执行V操作时，先将信号量+1，如果信号量<=0，都说明原来有进程因为该资源被阻塞，需要唤醒一个进程，并交付资源；只有当信号量>0时，才说明原来已经没有进程被阻塞，不需要唤醒。

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这两个操作中的信号量临界值的判断很有意思，也容易令人混乱，以下是关于临界值的一些问题的解答：

1，S>0那就表示有临界资源可供使用，为什么不唤醒进程？

S>0的确表示有临界资源可供使用，但是只有当信号量<0时才会出现被阻塞的情况，而信号量一旦>0就已经释放所有进程了，这就意味着在此时不可能有进程因为此资源不足被阻塞，因此不需要唤醒进程。

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2，S<=0应该是说没有临界资源可供使用，为什么还要唤醒进程？

V原语操作的本质在于：一个进程使用完临界资源后，释放临界资源，使S加1，以通知其它的进程，这个时候如果S<0，表明有进程阻塞在该类资源上，因此要从阻塞队列里唤醒一个进程来“转手”该类资源。比如，有两个某类资源，四个进程A、B、C、D要用该类资源，最开始S=2，当A进入，S=1，当B进入S=0，表明该类资源刚好用完， 当C进入时S=-1，表明有一个进程被阻塞了，D进入，S=-2。当A用完该类资源时，进行V操作，S=-1，释放该类资源，因为S<0，表明有进程阻塞在该类资源上，于是唤醒其中一个。

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3，如果是互斥信号量的话，应该设置信号量S=1，但是当有5个进程都访问的话，最后在该信号量的链表里会有4个在等待，也是说S=-4，那么第一个进程执行了V操作使S加1，释放了资源，下一个应该能够执行，但唤醒的这个进程在执行P操作时因S<0，也还是执行不了，这是怎么回事呢？

当一个进程阻塞了的时候，它已经执行过了P操作，并卡在临界区那个地方。当唤醒它时就立即进入它自己的临界区，并不需要执行P操作了，当执行完了临界区的程序后，就执行V操作。

4，S的绝对值表示等待的进程数，同时又表示临界资源，这到底是怎么回事？

当信号量S小于0时，其绝对值表示系统中因请求该类资源而被阻塞的进程数目.S大于0时表示可用的临界资源数。注意在不同情况下所表达的含义不一样。当等于0时，表示刚好用完。