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。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。 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； 下面用几个例子来具体说明： 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操作使这四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； } } 另附用PV原语解决进程同步与互斥问题的例子: 经典IPC问题如：生产者－消费者，读者－写者，哲学家就餐，睡着的理发师等可参考相关教材。 一、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 PB Q1 Q2 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); } } 二、《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); } 三、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); } } 四：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); }
