PV操作

Posted 2020-10-14 Tao-Coder

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。

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。

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。

　临界区：就是进程访问临界资源的那段代码。

    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

　　下面是一张同步的图：

　　

　　这张图也特别的形象具体，我们具体来看看这张图，A仓库有货物，然后我们需要把货物搬运到B仓库，由搬运工甲和搬运工乙来完成这个过程；那么他们的目标就只有一个，就是把货物从A搬到B去，共同奔着这个方向去发展，所以我们说这是一个同步的问题。

　　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。

示例

【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)mod n；
     　　　　V(full);
　　}

　　消费者进程
　　　　while(TRUE){
 　　　　　P(full);
  　　　　  从buffer（out）中取出产品；
   　　　　 out=(out+1)mod n；
   　　　　 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)mod n；
     　　　　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)mod n；
   　　　　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：
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;
            ｝
｝