美河原创作品@jhb92.分享pv操作学习 -- 笔记 –By Andy

美河原创作品@jhb92.分享pv操作学习 -- 笔记 –By Andy
视频的下载地址：http://www.verycd.com/topics/263147/

 

一、内容：临界资源及临界区、信号量、PV原语、进程间互斥和制约关系

二、目标：

                     1.理解基本概念

                     2.运用PV操作解决进程同步及互斥问题

 

背景：……    PV是荷兰语的两个单词，分别是申请和释放的意思。

概念：

1. 临界资源:一次允许一个进程使用的共享资源。进程间通过互斥方式工作，从而实现资源共享

2. 临界区：是一个代码段，一个进程对公共变量的部分操作，每次只允许一个进程进入临界区，进入后禁止其他进程进入。

3. 原语：本身不是一条机器指令，由若干的指令组成，自信过程中不可被打断的。

4. 信号量：由两部分组成的一种数据结构，即<信号量>=(S,Q) S初值为非负，代表子数；Q队列，没有得到资源的进程队列。

 

 

进程的同步与互斥，3类：共享存储器、管道文件、消息传递

 

进程同步，概念（略）

进程互斥，概念（略）

 

例题：

一对棋子，有黑白两种。进程A负责拣黑子，进程B负责拣白子。

1）如何用PV操作实现

2）如何实现A拣完黑子后，B拣白子，即两个进程交替进行。

对1）的分析：这是进程的互斥问题。这堆棋子是临界资源，可以用一个信号量S来标识。S=1说明资源正在被使用，无法访问，需要等待正在使用的进程对资源的释放。

对2）的分析：这是进程的同步问题。显然一个信号量无法实现资源的同步使用。因此，S1，S2分别表示黑棋和白棋正在被使用。程序如下：

Process1

P(S1); //申请拣黑子

拣黑子

V(S2)；//我拣完黑子了，可以拣白子

 

Process2:

P(S2);//申请拣白子

拣白子

V(S2);//我拣完白子了，可以拣黑子

 

补充：

      

在计算机操作系统中，PV操作是进程管理中的难点。

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S³0，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S³0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。

消费者进程

while(True){

P(full);

   从Buffer取出一个产品;

   V(empty);

   消费该产品;

   }
 
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);

     }

 

（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。

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;

   }

 
    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);

     产品送往buffer（in）；

     in=(in+1)mod n；

     V(full);

     }

 

（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。

 

 

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;

   }

 
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);

     }

  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)