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)
    pv.JPG
    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);
}
 
 
 
    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);
    }
}
 
 
    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-

posted @ 2015-04-03 14:50  Benson_xiong  阅读(13741)  评论(0编辑  收藏  举报