计算机操作系统复习笔记

PV原语

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。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。


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;


生产者-消费者(producer-consumer)问题

生产者-消费者(producer-consumer)问题,也称作有界缓冲区(bounded-buffer)问题,两个进程共享一个公共的固定大小的缓冲区。其中一个是生产者,用于将消息放入缓冲区;另外一个是消费者,用于从缓冲区中取出消息。问题出现在当缓冲区已经满了,而此时生产者还想向其中放入一个新的数据项的情形,其解决方法是让生产者此时进行休眠,等待消费者从缓冲区中取走了一个或者多个数据后再去唤醒它。同样地,当缓冲区已经空了,而消费者还想去取消息,此时也可以让消费者进行休眠,等待生产者放入一个或者多个数据时再唤醒它。
听起来好像蛮对的,无懈可击似的,但其实在实现时会有一个竞争条件存在的。为了跟踪缓冲区中的消息数目,需要一个变量 count。如果缓冲区最多存放 N 个消息,则生产者的代码会首先检查 count 是否达到 N,如果是,则生产者休眠;否则,生产者向缓冲区中放入一个消息,并增加 count 的值。
消费者的代码也与此类似,首先检测 count 是否为 0,如果是,则休眠;否则,从缓冲区中取出消息并递减 count 的值。同时,每个进程也需要检查是否需要唤醒另一个进程。



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