Linux基础（四）——信号量与PV操作

在计算机操作系统中，PV操作是进程管理中的难点。
1、基本含义
     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。
     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。
 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）；
    ……                  ……            ……           ……
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。
2、例子：生产者/消费者模型
（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-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，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-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。