PV原语操作详解

from http://www.blogjava.net/wxqxs/archive/2009/05/10/277320.html

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。

 

    semaphore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。

 

    P原语操作的动作是：
    (1)sem减1；
    (2)若sem减1后仍大于或等于零，则进程继续执行；
    (3)若sem减1后小于零，则该进程被阻塞后进入与该信号相对应的队列中，然后转进程调度。

    V原语操作的动作是：
    (1)sem加1；
    (2)若相加结果大于零，则进程继续执行；
    (3)若相加结果小于或等于零，则从该信号的等待队列中唤醒一等待进程，然后再返回原进程继续执行或转进程调度。

    PV操作对于每一个进程来说，都只能进行一次，而且必须成对使用。在PV原语执行期间不允许有中断的发生。

 

 

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    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;

 

 

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举例说明：

 

 

    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操作使这两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；

    }
}

 

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    另附用PV原语解决进程同步与互斥问题的例子:

 

   

    例3：两个进程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);

    }
}

 

 

    例4：《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);

}

 

 

 

    例 5：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);

    }
}

 

 

    例6：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);

}

 

 

 

 

 

 

 

 

再附上几个例子：

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用PV原语实现进程的互斥

　　由于用于互斥的信号量sem与所有的并发进程有关，所以称之为公有信号量。公有信号量 的值反映了公有资源的数量。只要把临界区置于P(sem)和V(sem)之间，即可实现进程间的互斥。就象火车中的每节车厢只有一个卫生间，该车厢的所有 旅客共享这个公有资源：卫生间，所以旅客间必须互斥进入卫生间，只要把卫生间放在P(sem)和V(sem)之间，就可以到达互斥的效果。以下例子说明进 程的互斥实现。

例1：
    生产围棋的工人不小心把相等数量的黑子和白子混装载一个箱子里，现要用自动分拣系统把黑子和白子分开，该系统由两个并发执行的进程组成，功能如下：
    (1)进程A专门拣黑子，进程B专门拣白子；
    (2)每个进程每次只拣一个子，当一个进程在拣子时不允许另一个进程去拣子；

 

    分析：
    第一步：确定进程间的关系。由功能(2)可知进程之间是互斥的关系。
    第二步：确定信号量及其值。由于进程A和进程B要互斥进入箱子去拣棋子，箱子是两个进程的公有资源，所以设置一个信号量s，其值取决于公有资源的数目，由于箱子只有一个，s的初值就设为1。

 

    实现：

begin
    s:semaphore;
    s:=1;
    cobegin
        process A
        begin
            L1: P(s);
            拣黑子;
            V(s);
            goto L1;
        end; 
        process B
        begin
            L2:P(s);
            拣白子；
            V(s);
            goto L2;
        end;
    coend;
end;

 

　　判断进程间是否互斥，关键是看进程间是否共享某一公有资源，一个公有资源与一个信号量相对应。确定信号量的值是一个关键点，它代表了可用资源实体数。如下实例：

 

 

例2：
    某车站售票厅，任何时刻最多可容纳20名购票者进入，当售票厅中少于20名购票者时，厅外的购票者可立即进入，否则需要在外面等待。每个购票者可看成一个进程。

 

    分析：第一步：确定进程间的关系。 售票厅是各进程共享的公有资源，当售票厅中多于20名购票者时，厅外的购票者需要在外面等待。所以进程间是互斥的关系。第二步：确定信号量及其值。只有一 个公有资源：售票厅，所以设置一个信号量s。售票厅最多容纳20个进程，即可用资源实体数为20，s的初值就设为20。

 

    实现：

 

begin 
    s:semaphore;
    s:=20;
    cobegin
        process PI(I=1,2,……)
        begin P(s);
            进入售票厅;
            购票;
            退出;
            V(s);
        end;
    coend;

end;

 

    当购票者进入售票厅前要执行P(s)操作，执行后若s大于或等于零，说明售票厅的人数还未满可进入。执行后若s小于零，则说明售票厅的人数已满不能进入。这个实现中同时最多允许20个进程进入售票厅购票，其余进程只能等待。

 

用PV原语实现进程的同步

　　与进程互斥不同，进程同步时的 信号量只与制约进程及被制约进程有关而不是与整组并发进程有关，所以称该信号量为私有信号量。利用PV原语实现进程同步的方法是：首先判断进程间的关系为 同步的，且为各并发进程设置私有信号量，然后为私有信号量赋初值，最后利用PV原语和私有信号量规定各进程的执行顺序。下面我们将例1增添一个条件，使其 成为进程间是同步的。

例3：
    在例1的基础之上再添加一个功能：
　　(3)当一个进程拣了一个棋子（黑子或白子）以后，必让另一个进程拣一个棋子（黑子或白子）。

 

    分析：
    第 一步：确定进程间的关系。由功能（1）（2）（3）可知，进程间的关系为同步关系。第二步：确定信号量及其值。进程A和B共享箱子这个公有资源，但规定两 个进程必须轮流去取不同色的棋子，因而相互间要互通消息。对于进程A可设置一个私有信号量s1，该私有信号量用于判断进程A是否能去拣黑子，初值为1。对 于进程B同样设置一个私有信号量s2，该私有信号量用于判断进程B是否能去拣白子，初值为0。当然你也可以设置s1初值为0，s2初值为1。

 

    实现:

 

begin
    s1,s2:semaphore;
    s1:=1;s2:=0;
    cobegin
        process A
            begin
            L1: P(s1);
            拣黑子;
            V(s2);
            goto L1;
        end;    
        process B
        begin
            L2:P(s2);
            拣白子;
            V(s1);
            goto L2;
        end;
    coend;
end;

 

　　另外一个问题就是P原语是不是一定在V原语的前面？回答是否定的。下面看一个例子：

例4：
    设在公共汽车上，司机和售票员的活动分别是：司机：启动车辆，正常行车，到站停车。售票员：上乘客，关车门，售票，开车门，下乘客。用PV操作对其控制。

 

    分析：
    第一步：确定进程间的关系。司机到站停车后，售票员方可工作。同样，售票员关车门后，司机才能工作。所以司机与售票员之间是一种同步关系。
    第二步：确定信号量及其值。由于司机与售票员之间要互通消息，司机进程设置一个私有信号量run，用于判断司机能否进行工作，初值为0。售票员进程设置一个私有信号量stop，用于判断是否停车，售票员是否能够开车门，初值为0。

    实现：

begin

    stop ,run:semaphore
    stop:=0;run:=0;
    cobegin
        driver:

        begin
            L1: P(run);
            启动车辆；
            正常行车；
            到站停车；
            V(stop);
            goto L1;
        end;
        conductor:

        begin
            L2:上乘客；
            关车门；
            V(run);
            售票；
            P(stop);
            开车门；
            下乘客；
            goto L2;
        end;
    coend;
end;

 

　　用PV操作还可以实现进程同步与互斥的混合问题，典型的如：多个生产者和多个消费者共享容量为n的缓存区。这个例子在很多书中都有介绍，在这里就不说了。

 

-The End-