PV操作的三种情况

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

 

下面用几个例子来具体说明:

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PV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100

void  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PV操作使这四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;

    } 
}

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。

一、两个进程PAPB通过两个FIFO(先进先出)缓冲区队列连接(如图)

PA

PB

Q1

Q2

    PAQ2取消息,处理后往Q1发消息,PBQ1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nQ2队列长度为m. 假设开始时Q1中装满了消息,试用PV操作解决上述进程间通讯问题。

解:// Q1队列当中的空闲缓冲区个数,初值为0
semaphore  S_BuffNum_Q1;  

// Q2队列当中的空闲缓冲区个数,初值为
semaphore  S_BuffNum_Q2;    

// Q1队列当中的消息数量,初值为
semaphore  S_MessageNum_Q1;

// Q2队列当中的消息数量,初值为
semaphore  S_MessageNum_Q2;

void  PA( )
{

        while(1)

        {
                P(S_MessageNum_Q2);

                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(1)

        {
                P(S_MessageNum_Q1);

                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);

        } 
}

 

二、《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PV操作解决上述问题中的同步和互斥关系。

解:semaphore  S_Door;          // 能否进出门,初值1

semaphore  S_StudentReady;    // 学生是否到齐,初值为0

semaphore  S_ExamBegin;   // 开始考试,初值为0

semaphore  S_ExamOver;    // 考试结束,初值为0

int  nStudentNum = 0;          // 学生数目

semaphore  S_Mutex1         //互斥信号量,初值为1

int  nPaperNum = 0;       // 已交的卷子数目

semaphore  S_Mutex2         //互斥信号量,初值为1

void  student( )
{

        P(S_Door);

        进门;
        V(S_Door);

        P(S_Mutex1)

        nStudentNum ++;         // 增加学生的个数

        if(nStudentNum == 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);         // 等待考试结束

        封装试卷;

        P(S_Door);

        出门;
        V(S_Door);

}

 

三、某商店有两种食品AB,最大数量均为m个。 该商店将AB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AB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(k个时,暂停对数量大的食品进货,补充数量少的食品。

(1) 问共需设置几个进程?

(2) 用P、V操作解决上述问题中的同步互斥关系。

解:semaphore  S_BuffNum_A;  //A的缓冲区个数, 初值m

semaphore  S_Num_A;          // A的个数,初值为0

semaphore  S_BuffNum_B;  //B的缓冲区个数, 初值m

semaphore  S_Num_B;          // B的个数,初值为0

void  Shop( )
{

        while(1)

        {
                P(S_Num_A);

                P(S_Num_B);

                分别取出A、B食品各一个;

                V(S_BuffNum_A);

                V(S_BuffNum_A);

                搭配地销售这一对食品;

        } 
}

// “A食品加1,而B食品不变”这种情形允许出现的次数(许可证的数量),其值等于//k-(A-B),初值为k

semaphore  S_A_B;

// “B食品加1,而A食品不变”这种情形允许出现的次数(许可证的数量),其值等于//k-(B-A),初值为k

semaphore  S_B_A;

void  Producer_A ( )
{

        while(1)

        {
                生产一个A食品;

                P(S_BuffNum_A);

                P(S_A_B);

                向商店提供一个A食品;

                V(S_Num_A);

                V(S_B_A);

        } 
}

void  Producer_B ( )
{

        while(1)

        {
                生产一个B食品;

                P(S_BuffNum_B);

                P(S_B_A);

                向商店提供一个B食品;

                V(S_Num_B);

                V(S_A_B);

        } 
}

四:在一栋学生公寓里,只有一间浴室,而且这间浴室非常小,每一次只能容纳一个人。公寓里既住着男生也住着女生,他们不得不分享这间浴室。因此,楼长制定了以下的浴室使用规则:(1)每一次只能有一个人在使用;(2)女生的优先级要高于男生,即如果同时有男生和女生在等待使用浴室,则女生优先;(3)对于相同性别的人来说,采用先来先使用的原则。

假设:

(1)当一个男生想要使用浴室时,他会去执行一个函数boy_wants_to_use_bathroom,当他离开浴室时,也会去执行另外一个函数boy_leaves_bathroom;

(2)当一个女生想要使用浴室时,会去执行函数girl_wants_to_use_bathroom,当她离开时, 也会执行函数girl_leaves_bathroom;

问题:请用信号量和P、V操作来实现这四个函数(初始状态:浴室是空的)。

解:信号量的定义:

semaphore  S_mutex;     // 互斥信号量,初值均为1

semaphore  S_boys; // 男生等待队列,初值为0

semaphore  S_girls;   // 女生等待队列,初值为0

普通变量的定义:

int  boys_waiting = 0;     // 正在等待的男生数;

int  girls_waiting = 0; // 正在等待的女生数;

int  using = 0;      // 当前是否有人在使用浴室;

void  boy_wants_to_use_bathroom ( )
{

        P(S_mutex);

        if((using == 0) && (girls_waiting == 0))

         {

                using  =  1;

                V(S_mutex);

         }

        else

         {

                boys_waiting ++;

                V(S_mutex);

                P(S_boys);

         }

}

void  boy_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);

         }

        else    using  =  0;         // 无人在等待

        V(S_mutex);

}

void  girl_wants_to_use_bathroom ( )
{

        P(S_mutex);

        if(using == 0)

         {

                using  =  1;

                V(S_mutex);

         }

        else

         {

                girls_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);

         }

        else    using  =  0;         // 无人在等待

        V(S_mutex);

}

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