原创 信号量PV操作

引用

     阐述P,V原语的理论不得不提到的一个人便是赫赫有名的荷兰科学家 E.W.Dijkstra。如果你对这位科学家没有什么印象的话，提起解决图论中最短路径问题的Dijkstra算法应当是我们再熟悉不过的了。P,V原 语的概念以及P,V操作当中需要使用到的信号量的概念都是由他在1965年提出的。 

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(也可实现进程通信)，包括一个称为信 号量的变量及对它进行的两个原语操作。信号量为一个整数，我们设这个信号量为：sem。很显然，我们规定在sem大于等于零的时候代表可供并发进程使用的 资源实体数，sem小于零的时候，表示正在等待使用临界区的进程的个数。根据这个原则，在给信号量附初值的时候，我们显然就要设初值大于零。

p操作和v操作是不可中断的程序段，称为原语。P,V原语中P是荷兰语的Passeren，相当于英文的pass, V是荷兰语的Verhoog,相当于英文中的incremnet。

且在P,V愿语执行期间不允许有中断的发生。

对于具体的实现，方法非常多，可以用硬件实现，也可以用软件实现。这种信号量机制必须有公共内存，不能用于分布式操作系统，这是它最大的弱点。

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首先应弄清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。

PV操作的意义：我们用信号量及PV操作来实现进程的同步和互斥。PV操作属于进程的低级通信。

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。注意，信号量的值仅能由PV操作来改变。

一般来说，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单位资源，因此S的值减1；

当S<0时，表示已经没有可用资源，请求者必须等待别的进程释放该类资源，它才能运行下去。而执行一个V操作意味着释放一个单位资源，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。

  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）；

…… …… …… ……

  其中信号量S用于互斥，初值为1。

  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。

【例1】生产者-消费者问题

在多道程序环境下，进程同步是一个十分重要又令人感兴趣的问题，而生产者-消费者问题是其中一个有代表性的进程同步问题。下面我们给出了各种情况下的生产者-消费者问题，深入地分析和透彻地理解这个例子，对于全面解决操作系统内的同步、互斥问题将有很大帮助。

（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&61485;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

  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&61485;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。

【例2】桌上有一空盘，允许存放一只水果。爸爸可向盘中放苹果，也可向盘中放桔子，儿子专等吃盘中的桔子，女儿专等吃盘中的苹果。规定当盘空时一次只能放一只水果供吃者取用，请用P、V原语实现爸爸、儿子、女儿三个并发进程的同步。

分析 在本题中，爸爸、儿子、女儿共用一个盘子，盘中一次只能放一个水果。当盘子为空时，爸爸可将一个水果放入果盘中。若放入果盘中的是桔子，则允许儿子吃，女 儿必须等待；若放入果盘中的是苹果，则允许女儿吃，儿子必须等待。本题实际上是生产者-消费者问题的一种变形。这里，生产者放入缓冲区的产品有两类，消费 者也有两类，每类消费者只消费其中固定的一类产品。

  解：在本题中，应设置三个信号量S、So、Sa，信号量S表示盘子是否为空，其初值为l；信号量So表示盘中是否有桔子，其初值为0；信号量Sa表示盘中是否有苹果，其初值为0。同步描述如下：

int S＝1;

int Sa＝0;

int So＝0;

  main()

  {

  cobegin

  father(); /*父亲进程*/

  son(); /*儿子进程*/

  daughter(); /*女儿进程*/

  coend

  }

  father()

  {

  while(1)

  {

  P(S);

  将水果放入盘中;

  if（放入的是桔子）V(So);

  else V(Sa);

  }

  }

  son()

  {

  while(1)

  {

  P(So);

  从盘中取出桔子;

  V(S);

  吃桔子;

  }

  }

  daughter()

  {

  while(1)

  {

  P(Sa);

  从盘中取出苹果;

  V(S);

  吃苹果;

  }

  }

思考题：

四个进程A、B、C、D都要读一个共享文件F，系统允许多个进程同时读文件F。但限制是进程A和进程C不能同时读文件F，进程B和进程D也不能同时读文件F。为了使这四个进程并发执行时能按系统要求使用文件，现用PV操作进行管理，请回答下面的问题：

  （1）应定义的信号量及初值： 。

  （2）在下列的程序中填上适当的P、V操作，以保证它们能正确并发工作：

  A() B() C() D()

  { { { {

  [1]; [3]; [5]; [7];

  read F; read F; read F; read F;

  [2]; [4]; [6]; [8];

  } } } }

  思考题解答：

（1）定义二个信号量S1、S2，初值均为1，即：S1=1，S2=1。其中进程A和C使用信号量S1，进程B和D使用信号量S2。

（2）从[1]到[8]分别为：P(S1) V(S1) P(S2) V(S2) P(S1) V(S1) P(S2) V(S2)

信号量、PV操作是解决进程间的同步与互斥问题的。

★ 做题时尤其要注意隐藏的同步、互斥问题。这些问题通常可以归入生产者－消费者问题和阅读者－写入者问题。

★ PV操作一定是成对出现的，但是这不意味着它会在一个进程内成对出现。

★ 在互斥关系中，PV操作一定是在一个进程内成对出现。而且，信号一定大于0,具体多少视情况而定。而对于同步关系，则一对PV操作在两个进程或者更多的进程中出现。

★ 对于同步关系，信号量可能为0，也可能不为0；用于同步的信号个数可能1个，也可能是多个。

★ 对信号量为1的，应该先执行V操作。

★ 在生产者－消费者问题中，要设置三个信号量：empty－空闲的缓存区数量，初值为n；full－已填充的缓存区数量，初值为0；mutex－保证只有一个进程在写入缓存区，初值为1。
★ 在阅读者－写入者问题中，设置两个信号量：信号量access－控制写入互斥，初值为1；信号量rc－控制对共享变量ReadCount（读者统计值）的互斥访问。