操作系统之PV操作

基本概念：

进程状态：进程通常分为就绪、运行和阻塞三个工作状态。三种状态在某些条件下可以转换，三者之间的转换关系如下：

进程三个状态之间的转换就是靠PV操作来控制的。PV操作主要就是P操作、V操作和信号量。其中信号量起到了至关重要的作用。

信号量：信号量是最早出现的用来解决进程同步与互斥问题的机制。信号量（Saphore）由一个值和一个指针组成，指针指向等待该信号量的进程。信号量的值表示相应资源的使用情况。信号量S>=0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资源，因此S的值减1；当S<0时，表示已经没有可用资源，S的绝对值表示当前等待该资源的进程数。请求者必须等待其他进程释放该类资源，才能继续运行。而执行一个V操作意味着释放一个资源，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。注意，信号量的值只能由PV操作来改变。

同步：其实说同步还不如说”协作“，就是我们的目标只有一个，我们奔着同一个目标去的，都是在大家的努力下共同完成这么一件事情。还是比较容易理解的吧。不见得太难。

互斥：借用别人的一句话“千军万马过独木桥”，很通俗的一句话，就把咱们这个概念表达的淋漓尽致，就好比有一个大部队来到独木桥这，但是必须排好队，一个一个来；其实现实生活中，还有一个很好的例子可以说明这个互斥的概念，比如打印机，打印机这个工具就非常好的体现了互斥的概念，打印机一旦被别人占用了，那无乱你有多着急，都只能等着，对吧。

我们接下来还继续看一下一张同步的图：

这张图也特别的形象具体，我们具体来看看这张图，A仓库有货物，然后我们需要把货物搬运到B仓库，由搬运工甲和搬运工乙来完成这个过程；那么他们的目标就只有一个，就是把货物从A搬到B去，共同奔着这个方向去发展，所以我们说这是一个同步的问题。

临界资源：就是咱们刚刚说的互斥，诸进程间需要互斥方式对其进行共享资源，如打印机、光驱等。

临界区：就是进程访问临界资源的那段代码。

PV操作：解决互斥和同步的问题。分开来看，

P操作：使S=S-1，若S>=0，则该进程继续执行，否则该进程排入等待队列。

V操作：使S=S+1，若S>0，唤醒等待队列中的一个进程（如果有）。

这样理解不太好理解，咱们还是来看例子吧：

接下来，我们来看一个与咱们生活很贴切的问题：生产者——消费者问题：

我们还是一样，通过图片来分析问题：

这是一个著名的同步问题，虽然生产者进程和消费者进程都是异步方式运行的，但它们之间必须保持同步，即不允许消费者进程到一个空缓冲区去取产品，也不允许生产者进程向一个已装满产品且尚未被取走的缓冲区中投放产品。这是一个单缓冲区情况。那么这个单缓冲区的PV操作，应该是怎样的呢？我们来看看：

我们分析分析，很容易的发现这个流程，前提是S1初值为1，S2初值为0。我们需要记住P操作减1，V操作加1，然后这个分析就变得易如反掌了，我们先对初值进行一下说明：

a、我们把S1的初值设为1：是说明缓冲区还有一个空间可以使用，对于生产者而言，每一个缓冲区的一个空间就是一个资源，也就是说，一开始运行的时候，就允许生产者投放一个产品到缓冲区，

b、然后投放到缓冲区之后，我们来看消费者进程，P（S2）：首先我们要进程一个判断，判断缓冲区中是否有产品，对消费者而言，缓冲区中有产品，就代表有一个资源可以使用，但是最初状态那个缓冲区中是没有资源的，所以S2的初值应该是为0的。

我们刚才都提到了资源的问题，就是信号量的一个值应该是表示资源的数量，但是就消费者和生产者而言，对于他们的资源是不同的，概念是不同的，生产者：缓冲区有多少个空格，就有多少个资源；而对消费者来说，缓冲区有多少个满的格，就有多少个资源，是刚好是相反，所以说，就是这么相反，所以当消费者从缓冲区取出一个产品之后，对于生产者而已，就多了一个资源。

其实这个过程就是这样的。

1、生产者：P（S1），那么P（S1），S1=S1-1，得到P（S1=0）这个进程还能进行，那么生产者把一个产品投放到缓冲区。

2、V（S2），S2=S2+1，S2初值为0，所以S2=S2+1>0，那么就激活了P（S2），那么消费者就能取出一个产品。

4、消费产品：消费产品之前，还有一个V（S1），就激活了P（S1），让生产者继续投放产品到缓冲区。

特别简单吧，这是单缓冲区分析。

我们接下来看一个相对来说，有点复杂一点点的，多缓冲区的，其实也一样一样的，继续：

我们还是分析一样的问题，生产者、消费者问题：

对应的PV操作应该是这样的：

有一点区别，就是要引用互斥的概念，因为缓冲区是一个临界资源，它始终只能有一个进程对其进行操作，所以我们就可以用一个互斥信号量来完成这一点，所以当某一个进程要使用到缓冲区之前，我们就进行以下判断，判断这个缓冲区现在是不是空闲呢？是不是有生产者或者消费者的进程在使用这个这个缓冲区呢？如果有，mute的初值为1，当有人使用这个缓冲区的时候，这个mute的值就由1变为0，这时，第二个进程向再来操作这个缓冲区，就不可能了，就会被阻塞，当第一个进程使用完缓冲区

 

公交车司机与售票员的问题：

我们来分析这个过程，我们把S1和S2的初值都设为0。我们来分析分析：

1、P（S1）：S1=S1-1=-1，那么司机进程就被暂停，等会售票员进程，售票员关车门。

2、V（S1）：S1=S1+1=0，激活了司机进程，那么司机就开始启动车辆、正常行驶、到站停车，当然售票员也有可能同时在售票。

3、P(S2):S2=S2-1,售票员在售票之后的进程就被暂停，等待司机进程。这样就避免了售票员售票之后就开车门了。因为这是不允许的。

4、V（S2）：S2=S2+1，司机到站停车之后，就激活了售票员P（S2）的进程，那么售票员就进程 开车门、上下客的操作。

那么这个进程就完成了。

一些疑问

1，S大于0那就表示有临界资源可供使用，为什么不唤醒进程？

S大于0的确表示有临界资源可供使用，也就是说这个时候没有进程被阻塞在这个资源上，所以不需要唤醒。

2，S小于0应该是说没有临界资源可供使用，为什么还要唤醒进程？

V原语操作的本质在于：一个进程使用完临界资源后，释放临界资源，使S加1，以通知其它的进程，这个时候如果S<0，表明有进程阻塞在该类资源上，因此要从阻塞队列里唤醒一个进程来“转手”该类资源。比如，有两个某类资源，四个进程A、B、C、D要用该类资源，最开始S=2，当A进入，S=1，当B进入S=0，表明该类资源刚好用完， 当C进入时S=-1，表明有一个进程被阻塞了，D进入，S=-2。当A用完该类资源时，进行V操作，S=-1，释放该类资源，因为S<0，表明有进程阻塞在该类资源上，于是唤醒一个。

3，如果是互斥信号量的话，应该设置信号量S=1，但是当有5个进程都访问的话，最后在该信号量的链表里会有4个在等待，也是说S=-4，那么第一个进程执行了V操作使S加1，释放了资源，下一个应该能够执行，但唤醒的这个进程在执行P操作时因S<0，也还是执行不了，这是怎么回事呢？

当一个进程阻塞了的时候，它已经执行过了P操作，并卡在临界区那个地方。当唤醒它时就立即进入它自己的临界区，并不需要执行P操作了，当执行完了临界区的程序后，就执行V操作。

4，S的绝对值表示等待的进程数，同时又表示临界资源，这到底是怎么回事？

当信号量S小于0时，其绝对值表示系统中因请求该类资源而被阻塞的进程数目.S大于0时表示可用的临界资源数。注意在不同情况下所表达的含义不一样。当等于0时，表示刚好用完。