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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（如：经典的生产者消费者问题）。其核心就是一段不可分割不可中断的程序，从而实现进程同步。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（如：生产者进程中的资源和消费者中的资源信号量：空位置数empty和产品数full）。 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
2、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
3、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。 PV操作必须成对使用。在PV原语执行期间不允许有中断的发生。 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
4、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去拣子； 分析进程及关系： 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。 实现：确定信号量及其值semaphore s; / 箱子个数，初值为1 /注意以下表示方法，cobegin和coend之间的是并发进程main()cobeginA();B();coendA()while(1)wait(S);拣黑子；signal(S);B()while(1)wait(S);拣白子；signal（S）； 例2：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
5、还回去。试用P、V操作正确实现顾客进程的同步互斥关系。 分析进程及关系：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：信号量定义semaphoreS_CartNum;/：空闲的手推车数量，初值为100 void consumer(void)/ 顾客进程 P(S_CartNum); 买东西; 结帐; V(S_CartNum); 例3：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
6、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： 信号量定义semaphore S_PlateNum; / 盘子容量，初值为1 semaphore S_AppleNum;/ 苹果数量，初值为0 void father( )/ 父亲进程 while(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； 思考：如果爸爸也可以放鸭梨，女儿吃鸭梨？以上代码该如何修改？ 例4：两个进程
7、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。 分析： 解： / Q1队列当中的空闲缓冲区个数，初值为0semaphore S_BuffNum_Q1; / Q2队列当中的空闲缓冲区个数，初值为msemaphore 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0s
8、emaphore S_MessageNum_Q2; voidPA( ) while(1) 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); voidPB( ) while(1) P(S_MessageNum_Q1); 从Q1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); 思考：此处是否应
9、该加上互斥信号量，如何添加？练习：例1： 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：/售票厅是各进程共享的公有资源，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。semaphore
10、 s;voidPI(I=1,2, ) P(s); 进入售票厅;购票;退出; V(s); 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。例2： 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去拣子； 分析： 第一步：确定进程间的关系。由功能
11、(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：Semaphore s;/互斥信号量，初值为1main()cobeginA();B();coendA()while(1)wait(s);拣白子；signal(s);B()while(1)wait(s);拣黑子；signal（s）；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个关键点，它代表了可用资源数。如下实例：例3
12、： 在例2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。当然你也可以设置s1初值为0，s2初值为1。 实现:Semaphore s1;/同步信号量，初值为1，表示可拣黑子Semaphore s2;/同步信号量，初值为0，表示不可拣白子main()cobeginA();B();coendA()while(1)wait(s2);拣白子；signal(s1);B()while(1)wait(s1);拣黑子；signal（s2）；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
