關于PV操作

在計算機操作系統中,PV操作是進程管理中的難點。

首先應弄清PV操作的含義:PV操作由P操作原語和V操作原語組成(原語是不可中斷的過程),對信號量進行操作,具體定義如下:

P(S):①將信號量S的值減1,即S=S-1;

②如果S30,則該進程繼續執行;否則該進程置為等待狀態,排入等待隊列。

V(S):①將信號量S的值加1,即S=S+1;

②如果S>0,則該進程繼續執行;否則釋放隊列中第一個等待信號量的進程。

PV操作的意義:我們用信號量及PV操作來實現進程的同步和互斥。PV操作屬于進程的低級通信。什么是信號量?信號量(semaphore)的數據結構為一個值和一個指針,指針指向等待該信號量的下一個進程。信號量的值與相應資源的使用情況有關。當它的值大于0時,表示當前可用資源的數量;當它的值小于0時,其絕對值表示等待使用該資源的進程個數。注意,信號量的值僅能由PV操作來改變。

一般來說,信號量S30時,S表示可用資源的數量。執行一次P操作意味著請求分配一個單位資源,因此S的值減1;當S<0時,表示已經沒有可用資源,請求者必須等待別的進程釋放該類資源,它才能運行下去。而執行一個V操作意味著釋放一個單位資源,因此S的值加1;若S£0,表示有某些進程正在等待該資源,因此要喚醒一個等待狀態的進程,使之運行下去。

利用信號量和PV操作實現進程互斥的一般模型是:

進程P1              進程P2           ……          進程Pn

……                  ……                           ……

P(S);              P(S);                         P(S);

臨界區;             臨界區;                        臨界區;

V(S);              V(S);                        V(S);

……                  ……            ……           ……

其中信號量S用于互斥,初值為1。

使用PV操作實現進程互斥時應該注意的是:

(1)每個程序中用戶實現互斥的P、V操作必須成對出現,先做P操作,進臨界區,后做V操作,出臨界區。若有多個分支,要認真檢查其成對性。

(2)P、V操作應分別緊靠臨界區的頭尾部,臨界區的代碼應盡可能短,不能有死循環。

(3)互斥信號量的初值一般為1。

利用信號量和PV操作實現進程同步

PV操作是典型的同步機制之一。用一個信號量與一個消息聯系起來,當信號量的值為0時,表示期望的消息尚未產生;當信號量的值非0時,表示期望的消息已經存在。用PV操作實現進程同步時,調用P操作測試消息是否到達,調用V操作發送消息。

使用PV操作實現進程同步時應該注意的是:

(1)分析進程間的制約關系,確定信號量種類。在保持進程間有正確的同步關系情況下,哪個進程先執行,哪些進程后執行,彼此間通過什么資源(信號量)進行協調,從而明確要設置哪些信號量。

(2)信號量的初值與相應資源的數量有關,也與P、V操作在程序代碼中出現的位置有關。

(3)同一信號量的P、V操作要成對出現,但它們分別在不同的進程代碼中。

【例1】生產者-消費者問題

在多道程序環境下,進程同步是一個十分重要又令人感興趣的問題,而生產者-消費者問題是其中一個有代表性的進程同步問題。下面我們給出了各種情況下的生產者-消費者問題,深入地分析和透徹地理解這個例子,對于全面解決操作系統內的同步、互斥問題將有很大幫助。

(1)一個生產者,一個消費者,公用一個緩沖區。

定義兩個同步信號量:

empty——表示緩沖區是否為空,初值為1。

full——表示緩沖區中是否為滿,初值為0。

生產者進程

while(TRUE){

生產一個產品;

P(empty);

產品送往Buffer;

V(full);

}

消費者進程

while(True){

P(full);

從Buffer取出一個產品;

V(empty);

消費該產品;

}

(2)一個生產者,一個消費者,公用n個環形緩沖區。

定義兩個同步信號量:

empty——表示緩沖區是否為空,初值為n。

full——表示緩沖區中是否為滿,初值為0。

設緩沖區的編號為1~n-1,定義兩個指針in和out,分別是生產者進程和消費者進程使用的指

,指向下一個可用的緩沖區。

生產者進程

while(TRUE){

生產一個產品;

P(empty);

產品送往buffer(in);

in=(in+1)mod n;

V(full);

}

消費者進程

while(TRUE){

P(full);

從buffer(out)中取出產品;

out=(out+1)mod n;

V(empty);

消費該產品;

}

(3)一組生產者,一組消費者,公用n個環形緩沖區

在這個問題中,不僅生產者與消費者之間要同步,而且各個生產者之間、各個消費者之間還必須互斥地訪問緩沖區。

定義四個信號量:

empty——表示緩沖區是否為空,初值為n。

full——表示緩沖區中是否為滿,初值為0。

mutex1——生產者之間的互斥信號量,初值為1。

mutex2——消費者之間的互斥信號量,初值為1。

設緩沖區的編號為1~n-1,定義兩個指針in和out,分別是生產者進程和消費者進程使用的指針,指向下一個可用的緩沖區。

生產者進程

while(TRUE){

生產一個產品;

P(empty);

P(mutex1);

產品送往buffer(in);

in=(in+1)mod n;

V(mutex1);

V(full);

}

消費者進程

while(TRUE){

P(full)

P(mutex2);

從buffer(out)中取出產品;

out=(out+1)mod n;

V(mutex2);

V(empty);

消費該產品;

}

需要注意的是無論在生產者進程中還是在消費者進程中,兩個P操作的次序不能顛倒。應先執行同步信號量的P操作,然后再執行互斥信號量的P操作,否則可能造成進程死鎖。

【例2】桌上有一空盤,允許存放一只水果。爸爸可向盤中放蘋果,也可向盤中放桔子,兒子專等吃盤中的桔子,女兒專等吃盤中的蘋果。規定當盤空時一次只能放一只水果供吃者取用,請用P、V原語實現爸爸、兒子、女兒三個并發進程的同步。

分析 在本題中,爸爸、兒子、女兒共用一個盤子,盤中一次只能放一個水果。當盤子為空時,爸爸可將一個水果放入果盤中。若放入果盤中的是桔子,則允許兒子吃,女兒必須等待;若放入果盤中的是蘋果,則允許女兒吃,兒子必須等待。本題實際上是生產者-消費者問題的一種變形。這里,生產者放入緩沖區的產品有兩類,消費者也有兩類,每類消費者只消費其中固定的一類產品。

解:在本題中,應設置三個信號量S、So、Sa,信號量S表示盤子是否為空,其初值為l;信號量So表示盤中是否有桔子,其初值為0;信號量Sa表示盤中是否有蘋果,其初值為0。同步描述如下:

int S=1;

int Sa=0;

int So=0;

main()

{

cobegin

father();      /*父親進程*/

son();        /*兒子進程*/

daughter();    /*女兒進程*/

coend

father()

{

while(1)

{

P(S);

將水果放入盤中;

if(放入的是桔子)V(So);

else  V(Sa);

}

}

son()

{

while(1)

{

P(So);

從盤中取出桔子;

V(S);

吃桔子;

}

daughter()

{

while(1)

{

P(Sa);

從盤中取出蘋果;

V(S);

吃蘋果;

思考題:

四個進程A、B、C、D都要讀一個共享文件F,系統允許多個進程同時讀文件F。但限制是進程A和進程C不能同時讀文件F,進程B和進程D也不能同時讀文件F。為了使這四個進程并發執行時能按系統要求使用文件,現用PV操作進行管理,請回答下面的問題:

(1)應定義的信號量及初值:                    。

(2)在下列的程序中填上適當的P、V操作,以保證它們能正確并發工作:

A()                B()                  C()                 D()

{                 {                    {                  {

[1];                [3];                  [5];                 [7];

read F;             read F;                read F;              read F;

[2];                [4];                  [6];                 [8];

}                  }                    }                  }

思考題解答:

(1)定義二個信號量S1、S2,初值均為1,即:S1=1,S2=1。其中進程A和C使用信號量S1,進程B和D使用信號量S2。

(2)從[1]到[8]分別為:P(S1) V(S1) P(S2) V(S2) P(S1) V(S1) P(S2) V(S2)

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