操作系统中的PV操作

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。
交互的并发进程因为他们共享资源，一个进程运行时，经常会由于自身或外界的原因而被中端，且断点是不固定的。也就是说进程执行的相对速度不能由进程自己来控制，于是就会导致并发进程在共享资源的时出现与时间有关的错误。
临界区 : 我们把并发进程中与共享变量有关的程序段称为临界区。

信号量S : 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。

进程的互斥：是指当有若干个进程都要使用某一共享资源时，任何时刻最多只允许一个进程去使用该资源，其他要使用它的进程必须等待，直到该资源的占用着释放了该资源。
进程的同步：是指在并发进程之间存在这一种制约关系，一个进程依赖另一个进程的消息，当一个进程没有得到另一个进程的消息时应等待，直到消息到达才被唤醒。

【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。
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：

p(empty);

向buffer放产品;

v(full);

消费者进程：

p(full);

从buffer取产品;

v(empty);

②n个生产者，n个消费者，公用n个缓冲区。

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.

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。

生产者进程：

生产一件产品;

P(empty);

P(mutex1)；

产品送往buffer（in）；

in=(in+1)mod n；

V(mutex1);

V(full);

消费者进程;

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;

【例2】
公交车司机与售票员的问题：

1：首先，我们在司机进程使用P操作（S1=S1-1=-1），现在是S1的值为-1，我们来查看P操作发现应该 挂起本进程，也就是说司机进程暂时挂起，我们进入到售票员进程。

2：进入售票员进程后，我们先 关车门，然后我们进行V操作（S1=S1+1=0），发现满足V操作的else，我们首先唤醒司机进程，然后我们继续执行售票员进程。

3：接着售票，售票后我们执行P操作（S2=S2-1=-1），发现满足P操作的else，我们暂时将售票员进程挂起。

4：进入到司机进程。

5：启动车辆，正常行驶，到站停车，执行V操作（S2=S2+1=0），发现S2满足V操作的else，唤醒售票员进程，同时继续执行本进程。

6：但是，我们可以发现司机进程已经执行完了，但是等待队列中还有售票员进程，我们就进入到售票员进程。

7：在售票员进程中，开车门，上下客。整个司机与售票员问题结束。

【例3】
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。

下面先考虑同步情况即所有“等待”情况：

第一．爸爸要等待盘子为空。

第二．儿子要等待盘中水果是桔子。

第三．女儿要等待盘中水果是苹果。

接下来来考虑要互斥处理的资源，看起来盘子好像是要作互斥处理的，但由于题目中的爸爸、儿子、女儿均只有一个，并且他们访问盘子的条件都不一样，所以他们根本不会同时去访问盘子，因此盘子也就不用作互斥处理了。分析至些，这个题目已经没有难度了，下面用PV原语给出答案：

先设置三个信号量，信号量Orange表示盘中有桔子，初值为0。信号量Apple表示盘中有苹果，初值为0。信号量EmptyDish表示盘子为空，初值为1。三个人的操作流程如下所示：

爸爸进程：

P(EmptyDish)

if (rand()%2==0)

{

放桔子

V(Orange)

}

else

{

放苹果

V(Apple)

}:

儿子进程：

P(Orange)

取桔子

V(EmptyDish)

女儿进程：

P(Apple)

取苹果

V(EmptyDish)