PV操作解决进程同步问题，生产者消费者问题为例

一、基本概念解释

进程同步：多个进程执行过程中，为了共享资源和相互合作而在执行次序上的协调。

同时也说一下互斥：当某一进程访问某一资源时，不允许其他进程同时访问，这种限制称为互斥。

临界资源：一次只允许一个进程访问的资源称为临界资源。

临界区：进程访问临界资源的程序段。

信号量机制：
信号量机制是1965年荷兰学者Dijkstra提出的，它包含两个标准的原子操作，wait（s）和signal（s），这两个操作又可以被称为P、V操作。在整个操作过程中，P、V必须成对出现。
P(s)基本操作：
s=s-1；
两种情况：1)s>=0,继续操作
2)s<0，中断CPU，保留现场，进程变为阻塞状态，进程的PCB表放入等待队列中。

V(s)基本操作：
s=s+1；
两种情况：1)s>0,继续操作
2)s<=0，从等待队列中唤醒一个进程，变成就绪状态，并将其PCB表插入就绪队列

上面P、V操作的描述对于它们的作用表现的不是很明显，所以这里特别提出：P操作相当于请求资源，所以会有s=s-1；V操作相当于释放资源，所以会有s=s+1； S为系统的资源，当s<0时代表系统资源申请完了，所以后面的进程只能阻塞，也就是说P操作会引起进程阻塞；类比过来，V操作可以解封进程。

二、PV操作解决生产者-消费者问题

（这部分内容是我看到一个博客写的很好，比较容易理解，所以转载过来的）

在理解了PV操作的的含义后，就必须讲解利用PV操作可以实现进程的两种情况：互斥和同步。根据互斥和同步不同的特点，就有利用PV操作实现互斥与同步相对固定的结构模式。这里就不详细讲解了。但生产者-消费者问题是一个有代表性的进程同步问题，要学生透彻理解并不容易。但是如果我们将问题细分成三种情况进行讲解，理解难度将大大降低。

1）一个生产者，一个消费者，公用一个缓冲区。

可以作以下比喻：将一个生产者比喻为一个生产厂家，如伊利牛奶厂家，而一个消费者，比喻是学生小明，而一个缓冲区则比喻成一间好又多。第一种情况，可以理解成伊利牛奶生产厂家生产一盒牛奶，把它放在好又多一分店进行销售，而小明则可以从那里买到这盒牛奶。只有当厂家把牛奶放在商店里面后，小明才可以从商店里买到牛奶。所以很明显这是最简单的同步问题。

解题如下：

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取走一个产品；
	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。

第二种情况可以理解为伊利牛奶生产厂家可以生产好多牛奶，并将它们放在多个好又多分店进行销售，而小明可以从任一间好又多分店中购买到牛奶。同样，只有当厂家把牛奶放在某一分店里，小明才可以从这间分店中买到牛奶。不同于第一种情况的是，第二种情况有N个分店（即N个缓冲区形成一个环形缓冲区），所以要利用指针，要求厂家必须按一定的顺序将商品依次放到每一个分店中。缓冲区的指向则通过模运算得到。

解题如下：

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);

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

第三种情况，可以理解成有多间牛奶生产厂家，如蒙牛，达能，光明等，消费者也不只小明一人，有许许多多消费者。不同的牛奶生产厂家生产的商品可以放在不同的好又多分店中销售，而不同的消费者可以去不同的分店中购买。当某一分店已放满某个厂家的商品时，下一个厂家只能把商品放在下一间分店。所以在这种情况中，生产者与消费者存在同步关系，而且各个生产者之间、各个消费者之间存在互斥关系,他们必须互斥地访问缓冲区。

解题如下：

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);
 }

在上面使用的变量中，关于empty和full变量表示的意义，源博文中的作者说的是empty——表示缓冲区是否为空
full——表示缓冲区中是否为满
根据后面的使用，我个人觉得可以换一个说法：
empty——表示缓冲池中空缓冲区（没有使用的缓冲区）的数量
full——表示缓冲池中满缓冲区（已经使用的缓冲区）的数量

参考文章链接：https://blog.csdn.net/u014174955/article/details/44022391