信号量与PV操作

Posted 2020-08-27 紫陀螺Echo

在操作系统中进程之间经常会存在互斥和同步两种关系。为了有效处理这种情况，W.Dijskra在1965年提出信号量和PV操作的概念
（1）信号量：一种特殊的变量，表现形式是一个整型S和一个队列
（2）P操作：也成为“down()和wait()操作”，使S=S-1，若S<0，进程暂停执行并放入信号量的等待队列。
（3）V操作，也称为“up()和signal（）操作”，使S=S+1，若S<=0,唤醒等待队列中的一个进程。

PV操作属于进程的低级通信。

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。

 

生产者与消费者问题
经典例子
【例1】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：
int S＝1;
int Sa＝0;
int So＝0;
main(){
　　cobegin
　　father(); /*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);
　　　　　　else V(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;
　　　　｝
　　｝

父亲为生产者，女儿，儿子为消费者，父亲与女儿，儿子的关系为对应的同步关系。
而当某个东西存在，而另一个东西不能进行时，则为互斥

 

如下
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];
read F; 　　 read F; 　　　 read F;　　  read F;
[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)

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 这个是互斥

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。