PV原语操作详解

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1、PV原语操作详解PV原语通过操作信号量来处理进程间的同步与互斥的问题。其核心就是一段不可分割不可 中断的程序。信号量的概念1965年由著名的荷兰计算机科学家Dijkstra提出，其基本思路 是用一种新的变量类型(semaphore)来记录当前可用资源的数量。semaphore有两种实现方式：1) semaphore的取值必须大于或等于0。0表示当前已没有空闲资源，而正数表示当前 空闲资源的数量；2) semaphore的取值可正可负，负数的绝对值表示正在等待进入临界区的进程个数。信号量是由操作系统来维护的，用户进程只能通过初始化和两个标准原语(P、V原语)来访 问。初始化可指定一个非负整数，即

2、空闲资源总数。P原语：P是荷兰语Proberen(测试)的首字母。为阻塞原语，负责把当前进程由运行状 态转换为阻塞状态，直到另外一个进程唤醒它。操作为：申请一个空闲资源(把信号量减1)， 若成功，则退出；若失败，则该进程被阻塞；V原语：V是荷兰语Verhogen(增加)的首字母。为唤醒原语，负责把一个被阻塞的进程 唤醒，它有一个参数表，存放着等待被唤醒的进程信息。操作为：释放一个被占用的资源(把信 号量加1)，如果发现有被阻塞的进程，则选择一个唤醒之。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

3、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 力口 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。PV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。在PV原语执行期间不允许有中断的发生。具体PV原语对信号量的操作可以分为三种情况：1) 把信号量视为一个加锁标志位，实现对一个共享变量的互斥访问。实现过程：P(mutex); / mutex的初始值为1访问该共享数据;V(mutex);非临界区；2) 把信号量视为是某种类型的共享资源的剩余个

4、数，实现对一类共享资源的访问。实现过程：P(resource); / resource的初始值为该资源的个数N使用该资源；V(resource);非临界区；3) 把信号量作为进程间的同步工具实现过程：临界区C1；P(S);V(S);临界区C2;举例说明:例1某超市门口为顾客准备了 100辆手推车，每位顾客在进去买东西时取一辆推车，在买完东西结完帐以后再把推车还回去。试用P、V操作正确实现顾客进程的同步互斥关系。分析：把手推车视为某种资源,每个顾客为一个要互斥访问该资源的进程。因此这个例子 为PV原语的第二种应用类型。解:semaphore S_CartNum;/空闲的手推车数量，初值为100v

5、oid consumer(void)/顾客进程P(S CartNum);买东西;结帐;V(S CartNum);例2：桌子上有一个水果盘，每一次可以往里面放入一个水果。爸爸专向盘子中放苹果， 儿子专等吃盘子中的苹果。把爸爸、儿子看作二个进程，试用P、V操作使这两个进程能正确地 并发执行。分析：爸爸和儿子两个进程相互制约，爸爸进程执行完即往盘中放入苹果后，儿子进程才 能执行即吃苹果。因此该问题为进程间的同步问题。解：semaphore S_PlateNum; / 盘子容量，初值为 1semaphore S_AppleNum; / 苹果数量，初值为 0 void father( )/ 父亲进程wh

6、ile(1)P(S_PlateNum);往盘子中放入一个苹果；V(S_AppleNum);void son( )/儿子进程while(1)P(S_AppleNum);从盘中取出苹果；V(S_PlateNum);吃苹果；另附用PV原语解决进程同步与互斥问题的例子：例3 :两个进程PA、PB通过两个FIFO（先进先出）缓冲区队列连接（如图）PA从Q2取消息，处理后往Q1发消息；PB从Q1取消息，处理后往Q2发消息，每个缓冲区长度等于传送消息长度。Q1队列长度为n,Q2队列长度为m.假设开始时Q1中装满了消息, 试用P、V操作解决上述进程间通讯问题。解:/ qi队列当中的空闲缓冲区个数，初值为0 s

7、emaphore S_BuffNum_Ql;/ Q2队列当中的空闲缓冲区个数，初值为m semaphore S_BuffNum_Q2;/ Q1队列当中的消息数量，初值为nsemaphore S_MessageNum_Q1;/ Q2队列当中的消息数量，初值为0semaphore S_MessageNum_Q2;void PA()while(l)P(S_MessageNum_Q2);从Q2当中取出一条消息；V(S_BuffNum_Q2);处理消息；生成新的消息；P(S_BuffNum_Q1);把该消息发送到Q1当中；V(S_MessageNum_Q1);void PB()while(l)P(S_M

8、essageNum_Q1);从QI当中取出一条消息；V(S_BuffNum_Q1);处理消息；生成新的消息;P(S_BuffNum_Q2);把该消息发送到Q2当中;V(S_MessageNum_Q2);例4:操作系统课程的期末考试即将举行，假设把学生和监考老师都看作进程，学生 有N人，教师1人。考场门口每次只能进出一个人，进考场的原则是先来先进。当N个学生都 进入了考场后，教师才能发卷子。学生交卷后即可离开考场，而教师要等收上来全部卷子并封装 卷子后才能离开考场。(1) 问共需设置几个进程？(2) 请用P、V操作解决上述问题中的同步和互斥关系。解：semaphore S_Door;/ 能否进出

9、门，初值1semaphore S StudentReady; / 学生是否至U齐，初值为 0semaphore S_ExamBegin; semaphore S_ExamOver;int nStudentNum = 0;semaphore S_Mutex1;int nPaperNum = 0;semaphore S_Mutex2;void student()P(S_Door);进门；V(S_Door);P(S Mutex1)；/开始考试，初值为0/考试结束，初值为0/学生数目/互斥信号量，初值为1/已交的卷子数目/互斥信号量，初值为1nStudentNum +;/ 增加学生的个数if(nStu

10、dentNum = N) V(S_StudentReady);V(S_Mutex1);P(S_ExamBegin); /等老师宣布考试开始 考试中交卷；P(S_Mutex2);nPaperNum +;/增加试卷的份数if(nPaperNum = N)V(S_ExamOver);V(S_Mutex2);P(S_Door);出门；V(S_Door);void teacher()P(S_Door);进门；V(S_Door);P(S_StudentReady); /等待最后一个学生来唤醒 发卷子；for(i = 1; i = N; i+)V(S_ExamBegin);P(S_ExamOver); /等

11、待考试结束 圭寸装试卷；P(S_Door);出门；V(S_Door);例5 :某商店有两种食品A和B,最大数量均为m个。该商店将A、B两种食品搭配出售, 每次各取一个。为避免食品变质，遵循先到食品先出售的原则。有两个食品公司分别不断地供应 A、B两种食品(每次一个)。为保证正常销售，当某种食品的数量比另一种的数量超过k(k0)/ 优先唤醒女生girls_waiting -;V(S_girls);else if 0)boys_waiting -;V(S_ boys);elseusing =0;/无人在等待V(S_mutex);oid girl wan to use bathroom ()P(S_

12、mutex);if(using = 0) . 1using =1;V(S_mutex);elsegirls_waiting +;V(S_mutex);P(S_girls);void girl_leaves_bathroom ()P(S_mutex);if(girls_waiting 0)/ 优先唤醒女生girls_waiting -;V(S_girls);else if(boys_waiting 0)boys_waiting -;V(S_ boys);elseusing =0;/无人在等待V(S_mutex);再附上几个例子：*用PV原语实现进程的互斥由于用于互斥的信号量sem与所有的并发进程

13、有关，所以称之为公有信号量。公有信号量的值反映了公有资源的数量。只要把临界区置于P(sem)和V(sem)之间，即可实现进程间的互 斥。就象火车中的每节车厢只有一个卫生间，该车厢的所有旅客共享这个公有资源：卫生间，所 以旅客间必须互斥进入卫生间，只要把卫生间放在P(sem)和V(sem)之间，就可以到达互斥的 效果。以下例子说明进程的互斥实现。例1:生产围棋的工人不小心把相等数量的黑子和白子混装载一个箱子里，现要用自动分拣系统把黑子和白子分开，该系统由两个并发执行的进程组成，功能如下：(1) 进程A专门拣黑子，进程B专门拣白子；(2) 每个进程每次只拣一个子，当一个进程在拣子时不允许另一个进程

14、去拣子；分析：第一步：确定进程间的关系。由功能(2)可知进程之间是互斥的关系。第二步：确定信号量及其值。由于进程A和进程B要互斥进入箱子去拣棋子，箱子是两个 进程的公有资源，所以设置一个信号量s,其值取决于公有资源的数目，由于箱子只有一个，s 的初值就设为1。实现：begins:semaphore;s:=1;cobeginprocess AbeginL1: P(s);拣黑子；V(s);goto L1;end;process BbeginL2:P(s);拣白子；end;coend;end;判断进程间是否互斥，关键是看进程间是否共享某一公有资源，一个公有资源与一个信号量 相对应。确定信号量的值是一

15、个关键点，它代表了可用资源实体数。如下实例：例2:某车站售票厅，任何时刻最多可容纳20名购票者进入，当售票厅中少于20名购票者时， 厅外的购票者可立即进入，否则需要在外面等待。每个购票者可看成一个进程。分析：第一步：确定进程间的关系。售票厅是各进程共享的公有资源，当售票厅中多于20 名购票者时，厅外的购票者需要在外面等待。所以进程间是互斥的关系。第二步：确定信号量及 其值。只有一个公有资源：售票厅，所以设置一个信号量s。售票厅最多容纳20个进程，即可 用资源实体数为20，s的初值就设为20。实现：begins:semaphore;s:=20;cobeginprocess PI(I=1,2,)b

16、egin P(s);进入售票厅；购票；退出；V(s);end;coend;end;当购票者进入售票厅前要执行P(s)操作，执行后若s大于或等于零，说明售票厅的人数 还未满可进入。执行后若s小于零，则说明售票厅的人数已满不能进入。这个实现中同时最多 允许20个进程进入售票厅购票，其余进程只能等待。用PV原语实现进程的同步与进程互斥不同，进程同步时的信号量只与制约进程及被制约进程有关而不是与整组并发进 程有关，所以称该信号量为私有信号量。利用PV原语实现进程同步的方法是：首先判断进程间 的关系为同步的，且为各并发进程设置私有信号量，然后为私有信号量赋初值，最后利用PV原 语和私有信号量规定各进程的

17、执行顺序。下面我们将例1增添一个条件，使其成为进程间是同 步的。例3:在例1的基础之上再添加一个功能：(3) 当一个进程拣了一个棋子(黑子或白子)以后，必让另一个进程拣一个棋子(黑子或白 子)。分析：第一步：确定进程间的关系。由功能(1 )(2)( 3)可知，进程间的关系为同步关系。 第二步：确定信号量及其值。进程A和B共享箱子这个公有资源，但规定两个进程必须轮流去 取不同色的棋子，因而相互间要互通消息。对于进程A可设置一个私有信号量s1,该私有信号 量用于判断进程A是否能去拣黑子，初值为1。对于进程B同样设置一个私有信号量S2,该私 有信号量用于判断进程B是否能去拣白子，初值为0。当然你也可

18、以设置s1初值为0，s2初值 为1。实现：begins1,s2:semaphore;s1:=1;s2:=0;cobeginprocess A begin L1: P(s1);拣黑子；V(s2);process B beginL2:P(s2);拣白子；V(s1);goto L2;end;coend;end;另外一个问题就是P原语是不是一定在V原语的前面？回答是否定的。下面看一个例子：例4：设在公共汽车上，司机和售票员的活动分别是：司机：启动车辆，正常行车，到站停车。 售票员：上乘客，关车门，售票，开车门，下乘客。用PV操作对其控制。分析：第一步：确定进程间的关系。司机到站停车后，售票员方可工作。

19、同样，售票员关车门后, 司机才能工作。所以司机与售票员之间是一种同步关系。第二步：确定信号量及其值。由于司机与售票员之间要互通消息，司机进程设置一个私有 信号量run，用于判断司机能否进行工作，初值为0。售票员进程设置一个私有信号量stop, 用于判断是否停车，售票员是否能够开车门，初值为0。实现：beginstop ,run:semaphorestop:=0;run:=0;cobegindriver:beginL1: P(run);启动车辆；正常行车；到站停车；V(stop);conductor: beginL2:上乘客;关车门；V(run);售票;P(stop);开车门；下乘客；goto L2;end;coend;end;