PV操作专讲.docx
《PV操作专讲.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《PV操作专讲.docx（49页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
PV操作专讲
第3章进程的同步与通信
3.1基本点、重点和难点
在多道程序系统中，程序的执行失去了封闭性和再现性，程序的运行具有不确定性，这是我们所不希望看到的。
如果多道程序系统中程序的执行不加控制，程序的每次执行就可能得到不同的结果。
如何使多道程序的执行的结果具有再现性和确定性？
这就需要通过进程间的同步和互斥来实现，将原来无序的、不确定的程序的执行转换为有序的、确定的执行。
解决同步和互斥问题最常用的方法就是信号量的方法，通过在程序中使用P、V操作达到同步和互斥的目的。
在使用信号量和P、V操作时，很多学生觉得无从下手，感到困惑。
这主要是因为他们对进程的本质理解还不够深入、对多道程序设计的原理还不够清楚、对信号量的含义还不够明白造成的。
但这部分内容又是各类考试的必考点。
本章有很多经典问题，其解题的方法和答案在很多资料上都可以见到。
但这些解题的结果是专家们长期精炼而成的，初学者在开始时不可能得到这样的结果。
对于初学者而言，迫切想知道的已不单是解题的结果，而是问题解决的思考和分析过程。
为此，本章中对一些问题的解答给出了详细的分析过程。
3.1.1进程的同步和互斥的概念
1.同步（Synchronization）
相互合作的进程需要在某些点上协调，先到达某点的进程需要等待后到达的进程，进程间的这种协调关系叫同步。
2.互斥（Mutex）
互斥是一种特殊的同步方式。
当多个进程需要使用相同的资源，而此资源在任一时刻却只能供一个进程使用，获得资源的进程可以继续执行，没有获得资源的进程必须等待。
进程间的这种相互排斥关系叫互斥。
3.临界资源与临界区（CriticalResourceandCriticalSection）
临界资源是一次只允许一个进程使用的资源。
临界区是在进程中操作临界资源的程序段。
3.1.2锁操作法实现互斥
1．基本思想
实现互斥的基本思想是使多个进程不能同时进入临界区。
给每个临界资源分配一个锁：
锁打开时，进程进入临界区，将锁关闭，开始操作临界资源，离开临界区时，将锁打开；锁关闭时，需要进入临界区的进程要等待。
2．操作锁的步骤
（1）确定临界资源；
（2）确定临界区；
（3）确定锁个数；
（4）设置锁操作。
3.1.3信号量与P、V操作
1.信号量的引入
1965年，荷兰学者Dijkstra提出的信号量机制是一种卓有成效的进程同步工具。
在长期且广泛的应用中，信号量机制得到了很大的发展：
它从整型信号量经记录型信号量，进而发展为“信号量集”机制。
现在的信号量机制已被广泛的应用于单处理机、多处理机系统和计算机网络中。
2.信号量（Semaphore）
设S为信号量，可以将S看成一个信号灯，但S能比信号灯表达更丰富的含义。
（1）当S>0时，是绿灯，进程看到绿灯可以通过。
S值越大，通过进程的能力越大，供进程使用的相关资源越多。
S值反映了可供进程使用的相关资源的数量。
（2）当S<=0时，是红灯，进程看到红灯需要等待。
此时|S|表示等待S信号的进程的个数。
3．信号量的操作
最初由Dijkstra把整型信号量定义为一个整型量，除初始化外，仅能通过两个标准的原子操作Wait（S）和Signal（S）来访问，其它方法都不能操作信号量。
这两个操作很长时间以来，一直被分别称为P、V操作，因为希腊语的Wait词头为P，Signal的词头为V。
对信号量的操作定义如下：
（1）P（S）或Wait（S）：
是等待信号的操作，是查看信号的操作，是看灯操作。
若为绿灯，进程继续前进；若为红灯，进程必须等待。
在该操作中，进行S=S-1，操作使S的值向负方向转化，即操作使信号灯S向红的方向转化。
（2）V（S）或Signal（S）：
是发送信号的操作。
在该操作中，进行S=S+1,操作使S的值向正方向转化，即操作使信号灯S向绿的方向转化。
4．P（S）、V（S）的实现
（1）整型信号量
P（S）：
whiles<=0dono-op
S：
=S-1；
V（S）：
S：
=S+1；
（2）记录型信号量
在整型信号量机制中的wait操作，只要是信号量S<=0，就会不断地测试。
因此，该机制并未遵循“让权等待”的准则，而是该进程处于“忙等”的状态。
记录型信号量机制则是一种不存在“忙等”问题的进程同步机制。
但在采取了“让权等待”的策略后，又会出现多个进程等待访问同一临界资源的问题。
为此，在信号量机制中，除了需要一个用于代表资源数目的整型变量value外，还应增加一个进程链表L，用于链接或记录上述的所有因此信号量而等待的进程。
记录型信号量是由于它采用了纪录型的数据结构而得名的。
它所包含的上述两个数据项可描述为：
typesemaphore=record
value:
integer;
L:
listofprocess;
End
相应地，wait（s）和singal（s）操作可描述为：
Procedurewait（s）
vars:
semaphore;
Begin
S.value:
=S.value-1;
IfS.value<0then
Begin
Insert（*,S.L）；
Block（*）；
End
End
Proceduresignal（s）
varS:
semaphore;
Begin
S.value:
=S.value+1;
IfS.value<=0then
Begin
N=remove（S.L）;
Wakeup（N）;
End
End
每次的wait操作，意味着进程请求一个单位的资源，因此描述为S.value:
=S.value-1；当S.value<0时，表示资源已分配完毕，进程需要等待而进入阻塞状态。
为了便于唤醒，在当前进程需要进入阻塞状态前，将当前进程号插入到信号量链表S.L中，进程调用block原语，进行自我阻塞，放弃处理机。
因为只有在S.value<0时进程才进入阻塞状态，所以当S.value<0时，S.value的绝对值表示在该信号量阻塞进程链表中进程的数目。
每次signal操作，表示执行进程释放一个单位资源，故S.value:
=S.value+1操作表示资源数目加1。
若加1后仍是S.value<=0,则表示在该信号量链表中，仍有等待该资源的进程被阻塞，故还应从该信号量链表中移出一个进程，调用wakeup原语将该进程唤醒。
3.1.4信号量实现进程的同步与互斥
1.利用信号量实现互斥
当信号量用于互斥时，信号量mutex的含义是进程是否可以操作临界资源，进程是否可以进入临界区。
mutex>0时，进程可以操作临界资源，可以进入临界区，否则mutex<=0时进程必须等待。
为了使多个进程能互斥地访问某临界资源，只需为该临界资源设置互斥信号量mutex。
如果每次只允许一个进程操作临界资源，其初值为1；如果最多允许k个进程使用某个资源，信号量的初值为k。
然后将各进程的临界区CS置于wait（mutex）和signal（mutex）操作之间即可。
这样，每个欲访问该临界资源的进程，在进入临界区之前，都要对mutex执行wait操作。
若该资源此刻未被访问，本次wait操作成功，进程便可进入自己的临界区，这时若有其他的进程欲进入自己的临界区，进程执行wait操作必然阻塞，从而保证了该临界资源被互斥访问。
当访问临界资源的进程退出临界区后，进程对mutex执行signal操作，释放该临界资源。
要注意的是，在利用信号量机制实现进程互斥时，wait（mutex）和signal（mutex）必须成对出现。
缺少wait（mutex）将会导致系统混乱，不能保证对临界资源的互斥访问；而缺少signal（mutex）将会使临界资源永远不被释放，从而使等待该资源而阻塞的进程永远不能被唤醒。
2.利用信号量实现同步
当信号量用于互斥时，信号量S的含义是某事件是否发生，某条件是否满足。
下面看一下如何用信号量来描述程序或语句之间的前趋关系。
设有两个并发执行的进程P1和P2。
P1中有语句S1；P2中有语句S2。
如果我们希望执行S1后再执行S2。
为实现这种前趋关系，我们只需使进程P1和P2共享一个公用信号量S，并赋予其初值为0，将signal（s）操作放在S1后面；而在S2语句前面插入wait（s）操作，即：
在进程P1中，S1；signal（s）
在进程P2中，wait（s）；S2
S的含义是S1语句是否执行：
S1执行后，信号量S>0；，S1没有执行时，信号量S<=0。
初始状态S1语句没有执行，因此S<=0。
因为S1执行后S应变成大于0的值，所以S应被初始化为0。
这样，若P2先执行必定阻塞自己，只有在进程P1执行完S1；signal（s）后，使S增为1时，P2进程才能执行语句S2。
同样，可以利用信号量，按下图语句间的前趋关系，写出一个可并发执行的程序。
详细描述如下：
vara,b,c,d,e,f,g:
semaphore:
=0,0,0,0,0,0,0;
begin
parbegin
beginS1;signal（a）;signal（b）;end;
beginwait（a）;S2;signal（c）;signal（d）;end;
beginwait（b）;S3;signal（e）;end;
beginwait（c）;S4;signal（f）;end;
beginwait（d）;S5;signal（g）;end;
beginwait（e）;wait（f）;wait（g）;S6;end;
parend
end
图4.1进程前趋关系图
3.解决同步和互斥问题的步骤
（1）确定并发和顺序操作
哪些操作是并发的？
哪些操作是顺序的？
这是解决同步和互斥问题时首先要确定的。
并发操作可以用多个进程实现，同步和互斥就发生在这多个进程之间。
多个进程操作同一临界资源就是进程间的互斥问题，多个进程要按一定的顺序进行操作就是进程间的同步问题。
（2）确定互斥和同步的规则
分析具体问题，确定同步和互斥的基本方式，确定能够进行正确操作的条件，在这些条件中隐含着同步和互斥的规则。
（3）确定同步、互斥的操作流程
按操作的步骤，写出每个进程操作的流程
（4）确定信号量的个数和含义
根据同步和互斥规则以及操作流程确定信号量的个数，确定信号量代表的含义，只有确切地知道信号量所代表的含义，设置这个信号量才有意义。
（5）确定信号量的初值
同步信号量的初值则要根据进程的初始状态确定，具体问题要具体分析，没有统一的方法。
（6）确定P、V操作的位置
根据同步和互斥规则和每个进程的操作流程就可以确定P、V操作的位置。
需要说明的是无论是互斥问题还是同步问题，只要是需要进程进入阻塞状态，就必须想到在什么时候将进程唤醒。
初学者开始时可以按上述步骤解决同步和互斥问题，熟练后，就可以不局限于这些规则，灵活应用。
这好象学骑自行车一样，开始时需要左看右看，掌握了基本要领，熟练操作以后就可以随心所欲。
以上讲述的只是一般的求解规则，虽然有一定的可操作性，但在实际应用中还是要针对具体情况，多做多想，领悟出其中的原理和窍门。
4.同步和互斥的经典问题
（1）生产者和消费者问题（PCP:
Producer-ConsumerProblem）。
例如，消息缓冲通信的管理。
（2）读者和写者问题（RWP:
Reader-WriterProblem）。
例如，共享文件的读写问题。
（3）哲学家进餐问题（DPP:
DiningPhilosopherProblem）。
例如，进程对多类资源的竞争使用。
3.2例题解析
例3.2.1多道程序系统程序的执行失去了封闭性和再现性，因此多道程序的执行不需要这些特性，这种说法是否正确？
解这种说法不正确。
可以想象，如果一个程序在多道程序系统中，在相同的输入的情况下，多次执行所得结果是不同的，有谁还敢使用这个程序？
因此，多道程序的执行也需要封闭性和再现性，只不过单道程序系统的封闭性和再现性是先天固有的，多道程序系统的程序执行要想获得封闭性和再现性，需通过程序员的精心设计才能得到。
所使用的方法就是同步和互斥的方法。
例3.2.2多个进程对信号量S进行了5次P操作，2次V操作后，现在信号量的值是-3，与信号量S相关的处于阻塞状态的进程有几个？
信号量的初值是多少？
解
（1）因为S的当前值是-3，因此因为S处于阻塞状态的进程有3个；
（2）因为每进行一次P（S）操作，S的值都减1，每执行1次V操作S的值加1，故信号量的初值为-3+5-2=0;
例3.2.3如下锁的实现方法存在什么缺点？
如何改进？
LOCK（X）UNLOCK（X）
{{
dowhileX=1;X=0;
X=1
}}
解存在的缺点是：
当锁是关闭时，采用的是循环等待的方法，这样的等待还是要占用处理机的时间，应该采用阻塞等待的方法。
改进的锁实现如下：
LOCK（X）UNLOCK（X）
{{
ifX.value=1ifnotempty（X.L）
{insert（*,X.L）;{P=remove（X.L）;
Block（*）Wakeup（P）
}}
elseX.Value=1elseX.Value=0
}}
这里X.value是锁的值，X.L是存放由于锁X而阻塞的进程的队列。
insert（*,X.L）将当前进程的进程号插入到X.L，remove（X.L）是从X.L中移出一个进程号。
例3.2.4使用多个进程计算Y=F1（X）+F2（X）.
解
（1）确定并发和顺序操作
在这个问题中，F1（X）和F2（X）的计算是可以并行处理的，因此F1（X）和F2（X）可以分别出现在两个进程中。
（2）确定互斥或同步的规则
在F1（X）+F2（X）中，必须在F1（X）和F2（X）计算完毕，才能进行加法运算，因此本问题是同步问题。
（3）同步的操作流程
〈进程main〉
创立进程p1来计算F1（X）；
创立进程p2来计算F2（X）；
F1（X）计算是否完成？
没有，等待；
F2（X）计算是否完成？
没有，等待；②
进行加法运算。
〈进程p1〉
y1=F1（X）；
设置F1（X）计算完成标志；③
〈进程p2〉
y1=F2（X）；
设置F2（X）计算完成标志。
④
（4）确定信号量的个数和含义
根据同步规则以及操作流程确定信号量的个数是2个，S1和S2：
S1含义是F1（X）计算是否完成；
S2含义是F2（X）计算是否完成。
（5）确定信号量的初值
S1=0；
S2=0。
（6）确定P、V操作的位置
上面①处是一个P操作，P（S1）；
上面②处是一个P操作，P（S2）；
上面③处是一个V操作，V（S1）；
上面④处是一个V操作，V（S2）。
解法1
Main（）
Publicy,y1,y2,.P1,P2
SemaphoreS1,S2
{
S1=0;
S2=0;
P1=Creat（N-F1,F1,x,……）;
P2=Creat（N-F2,F2,x,……）;
P（S1）;
P（S2）;
y=y1+y2;
}
ProcedureF1（x）
{
y1=计算1;
V（S1）；
}
ProcedureF2（x）
{
y2=计算2;
V（S2）
}
解法2
Main（）
Publicy,y1,y2,.P1,x
SemaphoreS1
{input（x）;
S1=0;
P1=Creat（N-F1,F1,x,……）;
Y2=F2（x）;
P（S1）;
y=y1+y2;
}
ProcedureF1（x）
{
y1=计算1;
V（S1）
}
采用2个进程和1个信号量来实现Y=F1（X）+F2（X）的时候，采用的方法是父进程创立子进程，F1（X）在子进程中计算，F2（X）在父进程中计算，因此F1（X）和F2（X）计算仍然是并发进行的。
S1信号量的含义为F1（X）是否完成。
改进的方法比原来的方法节约一个进程和一个信号量，但并发操作的程度并没有降低。
例3.2.5生产者—消费者问题演变。
情况1一个buffer，一个生产者，一个消费者，生产者只生产一个东西，消费者只进行一次消费，即：
生产者只进行一次putdata操作，消费者只进行一次getdata操作。
解这是一个同步问题，生产者和消费者分别是2个并发的进程。
（1）操作规则
如果buffer为空，则消费者只能等待。
（2）操作流程
<生产者>
{
putdata；
设置Buffer有数据标志V（S）
}
<消费者>
{
判断buffer是否有产品，没有则等待；
getdata；
}
（3）信号量
设置1个信号量full，full表示buffer是否有数据，初值为0。
（4）P、V操作实现
varfull:
semaphore:
=0;
buffer:
array[1]ofitem;
begin
parbegin
producer:
begin
putdata；
V（full）;
end
consumer:
begin
P（full）;
getdata;
end
parend
end
情况2一个buffer，一个生产者，一个消费者，生产者不断地进行putdata操作，消费者不断地进行getdata操作，即：
生产者不断地生产，消费者不断地消费
（1）操作规则
只有buffer为空时才能进行putdata操作；只有buffer有数据时才能进行putdata操作。
（2）操作流程
<生产者>
{
repeat
判断buffer是否为空，不空则等待；
putdata；
设置buffer有数据的标志；
untilfalse
}
<消费者>
{
repeat
判断buffer是否有数据，没有数据则等待；
getdata；
设置buffer为空标志；
untilfalse
}
（3）信号量
设置2个信号量full和empty。
full表示buffer是否有数据。
因为进程在初始状态时，buffer中没有数据，故初值为0，变化范围-1~1。
empty表示buffer是否为空。
因为进程在初始状态时，buffer为空，故初值为0初值为1，变化范围-1~1。
（4）P、V操作实现
varfull:
semaphore:
=0;
emptyl:
semaphore:
=1;
buffer:
array[1]ofitem;
begin
parbegin
producer：
begin
repeat
P（empty）；
putdata；
V（full）;
untilfalse
end
consumer：
begin
repeatP（full）；
getdata；
V（empty）；
untilfalse.
end
parend
end
情况3一个buffer，多个生产者，多个消费者，多个生产者和消费者都在不断地存取buffer，即生产者不断地进行putdata操作，消费者不断地进行getdata操作。
（1）操作规则
只有buffer为空时才能进行putdata操作；只有buffer有数据时才能进行putdata操作。
这时buffer变成了临界资源，不允许多个进程同时操作buffer，即不允许多个消费者同时进行gedata，不允许多个生产者同时进行putdata操作。
（2）操作流程
<生产者>
{
repeat
判断buffer是否为空，不则等待；
是否可操作buffer；
putdata；
设置buffer可操作标志；
设置buffer有数据的标志；
untilfalse
}
<消费者>
{
repeat
判断buffer是否有数据，没有则等待；
是否可操作buffer；
getdata；
设置buffer可操作标志；
设置buffer为空标志；
untilfalse
}
（3）信号量
设置3个信号量full、empty和B-M。
full表示buffer是否有数据，初值为0；
empty表示buffer是否为空，初值为1；
B-M表示buffer是否可操作，初值为1。
由于buffer只有一个，full和empty可以保证对buffer的正确操作，故B-M是多余的，可以省略。
（4）P、V操作实现
<生产者><消费者>
{{
repeatrepeat
P（empty）；P（full）；
P（B-M）； P（B-M）；
putdata；getdata；
V（B-M）； V（B-M）；
V（full）；V（empty）；
untilfalse.untilfalse
}}
情况4多个生产者，多个消费者，N个buffer，多次循环存取buffer，即，即多个生产者不断地进行putdata操作，多个消费者不断地进行getdata操作。
（1）操作规则
只有buffer有空间才能进行putdata操作；
只有buffer有数据才能进行putdata操作；
这时buffer变成了临界资源，不允许多个消费者和生产者同时对同一个buffer进行gedata和putdata操作。
（2）操作流程
<生产者>
{
repeat
判断buffer是否有空间，没有则等待；
是否可操作buffer；
putdata；
设置buffer可操作标志；
设置buffer有数据的标志；
untilfalse
}
<消费者>
{
repeat
判断buffer是否有数据，没有则等待；
是否可操作buffer；
getdata；
设置buffer可操作标志；
设置buffer有空间标志；
untilfalse
}
（3）信号量
full表示buffer是否有数据，初值为0;
empty表示buffer是否为空，初值为N；
B-M表示buffer是否可操作，初值为1。
（4）P、V操作实现
<生产者><消费者>
{{
repeatrepeat
P（empty）；P（full）；
P（B-M）； P（B-M）；
putdata；getdata；
V（B-M）； V（B-M）；
V（full）；V（empty）；
untilfalseuntilfalse
}}
（5）改进的P、V操作实现
在上述的实现中，putdata和getdata操作都在临界区中，因此多个进程对多个buffer的操作是不能并发进行的，进程间并行操作的程度很低。
实际上只要保证多个进程同时操作不同buffer就可以实现对整个buffer的并行操作。
因此，只要保证为不同的进程分配不同buffer，putdata和getdata操作是可以同时进行。
这样互斥不是发生在对buffer的存取操作上，而是发生在对buffer的分配上，这个时间与存取buffer的时间相比是较短的，因此减少了进程处
升级会员 