pv oper

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。

信号量：

struct semaphore

{

   int value;//仅且必须赋初值一次，初值非负

   PCBtype* wait_queue;//在此信号量上阻塞进程队列（指向等待该信号量的下一个进程）

}S; //信号量实例为 S

信号量的数值与相应资源的使用有关。

使用方法：

* P V 操作成对出现，处理互斥时出现在同一个进程中，处理同步时出现在不同进程中。

* 同步P先于互斥P调用，V的循序无关。

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。

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。

消费者进程

while(True){

   P(full);

   从Buffer取出一个产品;

   V(empty);

   消费该产品;

   }


生产者进程

while(TRUE){

     生产一个产品;

     P(empty);

     产品送往Buffer;

     V(full);

     }

（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-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);

     }

（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-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);

     }

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();    

      son();      

      daughter();  

      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;

         ｝

｝

3.

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];

      }                  }                    }                  }

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)