运用PV心法解决多线程问题

总结写在前面：
1.注意设置的信号量的初值。
2.不管如何变，只要牢牢的抓住同步和互斥来分析问题。
3.先靠滤同步情况即所有“等待”情况。有几个“等待”信号量类型就有几个。
4. 接下来[b]靠滤要互斥处理的资源。[/b]

先讲讲PV操作的起源和用法。
1962，荷兰学者Dijksrta在参与X8计算机的开发中设计并实现了具有多道程序运行能力的操作系统——THE Multiprogramming System。为了解决这个操作系统中进程（线程）的同步与互斥问题，他巧妙地利用火车运行控制系统中的“信号灯”（semaphore，或叫“信号量”）概念加以解决。信号量的值大于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，这个信号量的值仅能由PV操作来改变。
PV操作由P操作原语和V操作原语组成（原语也叫原子操作Atomic Operation，是不可中断的过程），对信号量（注意不要和Windows中的信号量机制相混淆）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。
V(S)：
①将信号量S的值加1，即S=S+1；
②该进程继续执行；如果该信号的等待队列中有等待进程就唤醒一等待进程。
用PV操作实现多线程的同步与互斥是非常简单的，只要靠虑逻辑处理上合理严密而不用靠虑具体技术细节，因此与写伪代码较为相似。比如有多个进程P1、P2、 ……PN。它们要互斥的访问一个资源。用PV操作来实现就非常方便直观。下面是PV操作代码：
设置信号量为S，初值为1。各进程的操作流程如下：
进程P1 进程P2 …… 进程Pn
P（S）； P（S）； P（S）；
访问资源； 访问资源； 访问资源；
V（S）； V（S）； V（S）；
可以看出PV操作会忽略具体的编程细节，让程序员的主要精力放在线程同步互斥的逻辑处理上。因此，通过练习PV操作能快速有效提高程序员对多线程的逻辑思维能力，达到强化“内功”的目的。

第一题 放水果 南京大学计算机研真题
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。
这个题目涉及的东西非常之多，光人物就有三个再加水果，盘子等等，确实让人感觉好像无从下手。但不管题目如何变，只要牢牢的抓住同步和互斥来分析问题就必定能迎刃而解。
下面先靠虑同步情况即所有“等待”情况：
第一．爸爸要等待盘子为空。
第二．儿子要等待盘中水果是桔子。
第三．女儿要等待盘中水果是苹果。
接下来来靠虑要互斥处理的资源，看起来盘子好像是要作互斥处理的，但由于题目中的爸爸、儿子、女儿均只有一个，并且他们访问盘子的条件都不一样，所以他们根本不会同时去访问盘子，因此盘子也就不用作互斥处理了。分析至些，这个题目已经没有难度了，下面用PV原语给出：
先设置三个信号量，信号量Orange表示盘中有桔子，初值为0。信号量Apple表示盘中有苹果，初值为0。信号量EmptyDish表示盘子为空，初值为1。三个人的操作流程如下所示：
1．爸爸
P(EmptyDish)
if (rand()%2==0)
{
放桔子
V(Orange)
}
else
{
放苹果
V(Apple)
}

2．儿子
P(Orange)
取桔子
V(EmptyDish)

3．女儿
P(Apple)
取苹果
V(EmptyDish)

第二题 安全岛 南开大学研真题
在南开大学至天津大学间有一条弯曲的路，每次只允许一辆自行车通过，但中间有小的安全岛M（同时允许两辆车），可供两辆车在已进入两端小车错车，设计算法并使用P，V实现。



这个问题应该如何靠虑了？同样只要牢牢的抓住同步和互斥来分析问题就必定能迎刃而解。
靠虑所有“等待”情况：
在路口N准备从N到T的人应该什么时候进入了？如果他只判断道路K上有没有人肯定是不行的，因为如果安全岛M上已经有2个人，那么路口N和路口T再各进一人，肯定会造成死锁。因此可以这样——在路口N准备从N到T的人要等待与他同方向的人已经到达T，如果此人已经到达T，且道路K上没有人，他必定可以上路了。同理在路口T准备从T到N的人也应该这样做。
再靠虑互斥情况：
路上每次只允许一辆自行车通过，所以道路是需要作互斥处理的。

分析之后，下面就用PV原语给出：
设置信号量NT表示在路口N且从N到T方向上允许出发的自行车数量，初值为1。信号量TN表示在路口T且从T到N方向上允许出发的自行车数量，初值为1。信号量K和L表示道路，初值均为1。这样从N到T的车和从T到N的车的行驶流程如下：
从N到T的车 从T到N的车
P(NT) P(TN)
P(K) P(L)
由N到M 由T到M
V(K) V(L)
P(L) P(K)
由M到T 由M到T
V(L) V(K)
V(NT) V(TN)

这个题目的解法有很多，比如还可以用信号量M来记录安全岛M上空位个数，初值为2。每个进入道路前的人都要先预订安全岛上的空位，订到后再互斥的进入道路。否则就要等待安全岛上有空位。信号量K和L表示道路，初值均为1。然后从N到T的车和从T到N的车的行驶流程如下：
从N到T的车 从T到N的车
P(M) P(M)
P(K) P(L)
由N到M 由T到M
V(K) V(L)
P(L) P(K)
V(M) V(M)
由M到T 由M到T
V(L) V(K)

这种解决方法也是不会造成死锁的。安全岛的解法非常之多，网上还有不少不同的解法，有兴趣的童鞋可以搜索一下。