操作系统——关于PV操作

操作系统——关于PV操作

在操作系统的进程管理中，PV是重点和难点。

先来看一下信号量和PV操作的定义：


信号量：信号量是个数据结构。

struct semaphore

{

int value;

pcb *blockqueue;

}mutex;

其中value是信号量的值；blockqueue是等待使用该信号量的进程排成的队列的对手指针。


PV操作

p操作：当一个进程对对信号量mutex执行p操作时，执行两个动作：

mutex.valu–；
//申请一个资源

if
(mutex.value<0)
//申请失败

sleep();
//本进程进入该信号量等待队列睡眠

v操作：当一个进程对对信号量mutex执行v操作时，执行两个动作：

mutex.value++；
//释放一个资源

if
(mutex.value>=0)
//如果有进程在等待使用本进程

wakeup();
//从该信号量的等待队列中唤醒一个进程

注：操作系统会保证PV操作的原子性，也就是说当一个进程执行PV操作，检测信号量时，不受中断。

接下来来看一下PV操作实现的功能：

实现进程之间的互斥；

实现进程之间的同步；


区别：互斥是为了保证资源一次只能由一个进程使用；而同步是为了实现进程通信，即传递资源当前的态
是否适合一个进程进行使用。

分别看个例子：

1.


互斥：进出教室问题：有一个变量count，初值为0，一个学生进入教室则count++，出教室则count–。

mutex = 1;


IN:
OUT:

p(mutex);
p(mutex);

count++;
count–;

v(mutex);
v(mutex);

过程：一个学生进入教室执行IN，p操作，mutex.value =
0；假设在进行count++之前遇到了中断，而中断之后跳回来时正好这个学生又在出教室，那么这时候就会执行OUT，mutex.value
= -1，该OUT进程进入睡眠，返回IN进程，count =
1，v操作，mutex.value =
0（说明有等待使用count的进程）；唤醒OUT进程，count
= 0，v操作，mutex.value = 1。

注意上面划线部分的假设。PV操作在这就是为了保证这种竞争情况的发生。

2.


同步：

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;

｝

｝


一些问题：为什么要设计三个信号量？因为这里盘子的状态有三种情况。所以在PV操作用在同步的时候，资源都多少种状态，就应该有多少个信号量（高并发的不一定好，需要更多的信号量，这样消耗系统的资源就更多）。还有，有没有留意到，每一次“吃”的操作都是在V操作之后进行，这是为什么呢？这是因为V操作是释放资源的一个操作，当然是越早释放对系统越有利啊。

最后来看同步机制的几条原则：

空闲让进

忙则等待

有限等待

让全等待

对于第三条原则，在此做用一个读写操作一下说明：

写进行中：所有其它进程block；

读进行中：允许读请求，block写请求；

请求顺序如下：r1, r2, w1, r3, r4, …….

如果接下去一直是读操作，即读进程始终没有结束，那么w1操作将会一直无法运行到，这也就是所谓的进程饿死现象。所以必须要有一个机制来保证有限等待。

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