为啥在操作系统中引入信号量及P、V操作？

Posted 2023-03-29

在操作系统理论中有一个非常重要的概念叫做P,V原语。在我们研究进程间的互斥的时候经常会引入这个概念，将P,V操作方法与加锁的方法相比较，来解决进程间的互斥问题。实际上，他的应用范围很广，他不但可以解决进程管理当中的互斥问题，而且我们还可以利用此方法解决进程同步与进程通信的问题。

[一]P,V原语理论

阐述P,V原语的理论不得不提到的一个人便是赫赫有名的荷兰科学家E.W.Dijkstra。如果你对这位科学家没有什么印象的话，提起解决图论中最短路径问题的Dijkstra算法应当是我们再熟悉不过的了。P,V原语的概念以及P,V操作当中需要使用到的信号量的概念都是由他在1965年提出的。

信号量是最早出现的用来解决进程同步与互斥问题的机制，包括一个称为信号量的变量及对它进行的两个原语操作。信号量为一个整数，我们设这个信号量为：sem。很显然，我们规定在sem大于等于零的时候代表可供并发进程使用的资源实体数，sem小于零的时候，表示正在等待使用临界区的进程的个数。根据这个原则，在给信号量附初值的时候，我们显然就要设初值大于零。

p操作和v操作是不可中断的程序段，称为原语。P,V原语中P是荷兰语的Passeren，相当于英文的pass, V是荷兰语的Verhoog,相当于英文中的incremnet。

P原语操作的动作是：

（1） sem减1；

（2） 若sem减1后仍大于或等于零，则进程继续执行；

（3） 若sem减1后小于零，则该进程被阻塞后进入与该信号相对应的队列中，然后转进程调度。

V原语操作的动作是：

（1） sem加1；

（2） 若相加结果大于零，则进程继续执行；

（3） 若相加结果小于或等于零，则从该信号的等待队列中唤醒一等待进程，然后再返回原进程继续执行或转进程调度。

需要提醒大家一点就是P,V操作对于每一个进程来说，都只能进行一次。而且必须成对使用。且在P,V愿语执行期间不允许有中断的发生。

对于具体的实现，方法非常多，可以用硬件实现，也可以用软件实现。我们采用如下的定义：

procedure p(var s:samephore);

s.value=s.value-1;
if (s.value<0) asleep(s.queue);

procedure v(var s:samephore);

s.value=s.value+1;
if (s.value<=0) wakeup(s.queue);

其中用到两个标准过程：
asleep(s.queue);执行此操作的进程控制块进入s.queue尾部，进程变成等待状态
wakeup(s.queue);将s.queue头进程唤醒插入就绪队列
对于这个过程，s.value初值为1时，用来实现进程的互斥。

虽软说信号量机制毕加锁方法要好得多，但是也不是说它没有任何的缺陷。由此我们也可以清晰地看到，这种信号量机制必须有公共内存，不能用于分布式操作系统，这是它最大的弱点。

[二]P,V原语的应用

正如我们在文中最开始的时候提到的，P,V原语不但可以解决进程管理当中的互斥问题，而且我们还可以利用此方法解决进程同步与进程通信的问题。

（1）用P V原语实现进程互斥

把临界区置于P(sem) 和V(sem)之间。当一个进程想要进入临界区时，它必须先执行P原语操作以将信号量sem减1，在进程完成对临界区的操作后，它必须执行V原语操作以释放它所占用的临界区。从而就实现了进程的互斥：

具体的过程我们可以简单的描述如下：

PA:

P(sem)

<S>;

V(sem)

PB:

P(sem)

<S>;

V(sem)

(2) 用P V原语实现进程同步

进程同步问题的解决同样可以采用这种操作来解决，我们假设两个进程需要同步进行，一个进程是计算进程，另一个进程是打印进程，那么这个时候两个进程的定义可以表示为：

PC（表示计算进程）

A: local buf

repeat

buf=buf

until buf=空

计算

得到计算结果

buf=计算结果

goto A

PP:（表示打印进程）

B: local pri

repeat

pri=buf

until pri!=空

打印buf中的数据

清除buf中的数据

goto B

相应用P,V原语的实现过程为：

PA: deposit(data)

Begin local x

P(bufempty)

按FIFO方式选择一个空缓冲区buf(x)

buf(x)=data

buf(x)置满标记

V(buffull)

end

PB:remove(data)

Begin local x

P(buffull)

按FIFO方式选择一个装满

数据的缓冲区buf(x)

data=buf(x)

buf(x)置空标记

V(bufempty)

end

（3）用P V原语实现进程通信

我们以邮箱通信为例说明问题：

邮箱通信满足的条件是：

<1>;发送进程发送消息的时候，邮箱中至少要有一个空格能存放该消息。

<2>;接收进程接收消息时，邮箱中至少要有一个消息存在。

发送进程和接收进程我们可以进行如下的描述：

Deposit(m)为发送进程，接收进程是remove(m). Fromnum为发送进程的私用信号量，信箱空格数n。mesnum为接收进程的私用信号量，初值为0.

Deposit(m):

Begin local x

P(fromnum)

选择空格x

将消息m放入空格x中

置格x的标志为满

V(mesnum)

end

Remove(m)

Begin local x

P(mesnum)

选择满格x

把满格x中的消息取出放m中

置格x标志为空

V(fromnum)

end 参考技术A 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S > 0，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。
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S<0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。也就是说，有一个未被占用的资源就可以让一个阻塞的进程执行，
而不是S为正是才可以执行。具体系统上的实现怎么使用，可以参考《unix网络编程卷二：进程间通信》。