pv操作实现多进程同步和互斥

本篇文章，讲解了PV操作的作用，举了两个情景模拟pv操作的应用原理，同时讲解了PV操作涉及到的基本概念，并且在文章的最后用伪代码写了pv操作过程。

要理解PV操作，请先看两个场景：

场景1：飞机场售票窗口进程

Process Pi(i=1,2,3,…,n)

Begin

查找当天机票剩余量A

If A>1 then

A=A-1;

售出一张票

Else 输出票以售完

End

若同时有5个窗口执行该程序，如果5个程序同时并发执行，同时取到相同的票数（实际情况中：用锁就能解决该问题，不会取到相同的票数，此处只是为说明pv操作），则售了5张票，而实际票数只减了1张。

场景2：进程A向缓存中写数据（缓存只存一条数据），进程B从缓存存数据。如果在B未取走数据前就写入数据，数据会被覆盖；若A还没写入新数据前B写入一次数据，则会读取到旧数据，怎么保证两个进程能够同步执行？

情景一为互斥问题，当一个进程读取并修改数据的时候，另一个进程不能读取数据；情景二为同步问题，只有在进程A写入数据后，B才能读数据，否则可能读到空数据或者重复数据；B读取完，A才能写入数据，否则可能数据还没有读的时候就被覆盖掉。

使用PV操作可以解决上面的两个问题，pv操作通过观察信号量，从而控制多个进程间同步或互斥使用资源。

理解PV操作需要理解几个重要的概念：临界区，P操作，V操作，同步和互斥。

进程的互斥：若干个进程都要访问某一共享资源时，任何时刻最多只允许一个进程使用该资源，其他要使用该资源的进程必须等待，知道该资源的占用者释放进程。

进程的同步：并发进程间存在一种制约关系，一个进程的执行依赖另一个进程的消息，当一个进程没有得到另一个进程的消息时等待，知道消息到达才被唤醒。

临界区：当N个进程都要访问同一个变量时，我们把与共享变量有关的程序段成为临界区。所有涉及该变量的临界区成为相关临界区。

信号量：表示临界区的进程是否可以往下执行，用S signal 代表信号量 ，s>0,代表当前变量或资源可以使用，该进程可以执行；S=0，表示当前无资源，当前进程不可往下执行；s<0表示当前有等待使用资源的进程，并且该负数的绝对值代表等待资源的进程数

p操作：判断调用P操作的进程是否可以获得资源并往下执行，如果信号量减一后大于0，将会往下执行，否则继承进入等待队列；

用代码表示：

Procedure P（Var S:Semaphore）;

Begin

s=s-1;

If s<0 then W(s);

End;{P}

V操作：进程释放一个变量或资源，信号量加一，若等待队列有进程，则释放一个等待进程（该进程获取资源并执行）

Procedure V（Var S:Semaphore）;

Begin

s=s+1

if S<=0 then r(s)

end

那么了解了PV操作和相关的概念后，我们可以试着用PV操作解决文章开始的两个场景了：

解决场景一：将PV操作将如到场景一的伪代码中

Begin

S：semaphore  //定义信号量

S=1；

Process Pi(i=1,2,3,…,n)

Begin

查找当天机票剩余量A

P（S）；           //进行P操作，当前的信号量减1大于等于0，则继续进行，否则等待资源

If A>1 then

A=A-1;

V(S)             //将当前变量或资源释放，将信号量加一，结果如果小于等于0，则唤醒一个进程

售出一张票

Else 输出票以售完

End

End

那么此时，由于将信号量设置为1，只能有一个进程访问并修改机票数量，因此不会出现问题。

有此可见，当信号量为正时，信号量的数值代表有几个可用资源，为0时，表示当前没有可用资源，为负值时说明当前有进程在等待资源。

解决场景二：

Begin

Buffer：integer

SA，SB：semaphore；

SA=1，SB=0；//定义A进程的信号量和B进程的信号量

Process A

Begin

L1:  向缓存中写入一个数据Data;

P（SA）;         //进行P操作，判断当前进程A是否可以向缓存写入数据

Buffer=Data;

V(SB);              //A进程写入说后，将B进程的信号量加一，告诉B进程可以进行读数据了

Goto L1;

End ;

Process B

Begin

L2:     P(SB);                                         //进行P操作，判断当前进程B是否可以从缓存读数据

从缓存取出一个数据Data;

V(SA);                 //读完数据后，将A进程的信号量加一，告诉A进程可以写入数据了

用取出的数据进行计算；

Goto L2;

End

End

PV操作解决了多个进程间共享数据和资源时，误操作的问题，保证了安全的共享资源。