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(也可实现进程通信),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。

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。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。

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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。

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&61485;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);

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&61485;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;

}

}

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)

转自:http://blog.163.com/fengzijun_2005/blog/static/33229053200842115554584/

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