PV原语小结
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；
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P、V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P、V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PA、PB通过两个FIFO（先进先出）缓冲区队列连接（如图）
|
PA |
|
PB |
|
Q1 |
|
Q2 |
PA从Q2取消息，处理后往Q1发消息，PB从Q1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n，Q2队列长度为m. 假设开始时Q1中装满了消息，试用P、V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m
semaphore S_BuffNum_Q2;
// Q1队列当中的消息数量，初值为n
semaphore S_MessageNum_Q1;
// Q2队列当中的消息数量，初值为0
semaphore S_MessageNum_Q2;
void PA( )
{
while(1)
{
P(S_MessageNum_Q2);
从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);
从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P、V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A和B，最大数量均为m个。该商店将A、B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A、B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<m)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);
}