进程的PV操作详解.docx

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进程的PV操作详解

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进程的PV操作

在操作系统中，P、V操作是进程管理中的难点。

这是1968年荷兰人Dijkstra给出的一种解决并发进程间互斥和同步关系的通用方法。

1.P、V操作的意义

定义了信号量及其上的P操作和V操作，来实现并发进程间的同步和互斥，甚至可以用来管理资源的分配。

P、V操作因交换的信息量少，属于进程的低级通信。

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2.什么是信号量？

信号量

值为整型变量，表示信息量的值；指针指向进程控制块

如下图所示。

p1EanqFDPw

信号量的一般结构及PCB队列

信号量的值与相应资源的使用情况有关。

当它的值大于0时，表示当前可用资源的数量；当它的值小于0时，其绝对值表示等待使用该资源的进程个数。

注意，信号量的初值不能为负，且其值只能由P、V操作来改变。

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3.P、V操作的含义

P、V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S进行操作，具体定义如下：

P

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；否则该进程状态置为阻塞状态，进程PCB排入信号量PCB队列末尾，放弃CPU，等待V操作的执行。

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V

①将信号量S的值加1，即S=S+1；

②如果S≤0，释放信号量队列中第一个PCB所对应的进程，将进程状态由阻塞态改为就绪态。

执行V操作的进程继续执行。

5PCzVD7HxA

一般来说，信号量S≥0时，S表示可用资源的数量。

执行一次P操作意味着请求分配一个单位资源，因此S的值减1；当S<0时，表示已经没有可用资源，请求者必须等待别的进程释放该类资源，它才能运行下去。

而执行一个V操作意味着释放一个单位资源，因此S的值加1；若S≤0，表示有某些进程正在等待该资源，因此要唤醒一个阻塞状态的进程，使之成为就绪状态。

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4.利用信号量和P、V操作实现进程互斥

一般地，n个进程利用信号量和P、V操作实现进程互斥的一般模型如下：

进程P1进程P2……进程Pn

………………xHAQX74J0X

P

临界区；临界区；临界区；

V

……………………

其中S是互斥信号量，初值为1。

使用P、V操作实现进程互斥时应该注意的问题是：

<1）每个程序中，用户实现互斥的P、V操作必须成对出现，先做P操作，进临界区，后做V操作，出临界区。

若有多个分支，要认真检查P、V操作的成对性。

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<2）P、V操作应分别紧靠临界区的头尾部，临界区的代码应尽可能短，不能有死循环。

<3）互斥信号量的初值一般为1。

5.利用信号量和P、V操作实现进程同步

P、V操作是典型的进程同步机制之一。

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；当信号量的值为非0时，表示期望的消息已经存在。

用P、V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操作来发送消息。

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使用P、V操作实现进程同步时应该注意的问题是：

<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，哪个进程应先执行，哪些进程后执行，彼此间通过什么信号量进行协调，从而明确要设置哪些信号量。

EmxvxOtOco

<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。

6.P、V操作举例

【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。

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<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。

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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。

消费者进程

while（TRUE>{

P（full>。

从buffer

out=（out+1>modn；

V（empty>。

消费该产品。

}

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。

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生产者进程

while（TRUE>{

生产一个产品。

P（empty>。

产品送往buffer

in=（in+1>modn；

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。

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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。

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生产者进程0YujCfmUCw

while（TRUE>{

生产一个产品。

P（empty>。

P（mutex1>；

产品送往buffer

in=（in+1>modn；

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。

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【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取用，请用P、V操作实现爸爸、儿子、女儿三个并发进程的同步。

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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。

GMsIasNXkA

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：

TIrRGchYzg

intS＝1。

intSa＝0。

intSo＝0。

main（>

{

cobegin/*表示并发操作*/

father（>。

/*父亲进程*/

son（>。

/*儿子进程*/

daughter（>。

/*女儿进程*/

coend

｝

father（>/*父亲进程*/

{

while（TRUE>

{

P（S>。

/*盘子是否为空*/

将水果放入盘中。

if<放入的是桔子）

V（So>。

else

V（Sa>。

}

}

son（>/*儿子进程*/

{

while（TRUE>

{

P（So>。

/*盘中是否有桔子*/

从盘中取出桔子。

V（S>。

吃桔子。

｝

}

daughter（>/*女儿进程*/

{

while（TRUE>

{

P（Sa>。

/*盘中是否有苹果*/

从盘中取出苹果。

V（S>。

吃苹果。

｝

｝

说明：

P、V操作有很多经典的实例，如生产者-消费者问题、读者-写者问题、哲学家就餐问题、理发店问题等，有兴趣的同学可以通过操作系统的其他教材了解一下。

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思考题：

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P、V操作进行管理，请回答下面的问题：

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<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]

readF。

readF。

readF。

readF。

zvpgeqJ1hk

。

[2]。

[4]。

[6]。

[8]

}}}}

思考题解答：

<1）定义二个互斥信号量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。

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<2）从[1]到[8]分别为：

P（S1>；V（S1>；P（S2>；V（S2>；P（S1>；V（S1>；P（S2>；V（S2>。

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说明：

以上内容仅作为教案辅导材料，不作为考核内容。

申明：

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