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分类: LINUX

2014-11-05 10:16:22

原文地址:信号量与PV操作 作者:chenmeng11

在计算机操作系统中,PV操作是进程管理中的难点。
首先应弄清
PV操作的含义PV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S³0,则该进程继续执行;否则该进程置为等待状态,排入等待队列。
   
V
S):①将信号量S的值加1,即S=S+1
          
②如果S>0,则该进程继续执行;否则释放队列中第一个等待信号量的进程。
PV
操作的意义
:我们用信号量及PV操作来实现进程的同步和互斥。PV操作属于进程的低级通信。

什么是信号量?信号量(semaphore)的数据结构为一个值和一个指针,指针指向等待该信号量的下一个进程。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,信号量的值仅能由PV操作来改变。
     一般来说,信号量S³0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,因此要唤醒一个等待状态的进程,使之运行下去。

    利用信号量和PV操作实现进程互斥的一般模型是:
进程
P1              进程P2           ……          进程Pn
……                  ……                           ……
P
S);              PS);                         PS);

临界区;
             临界区;                        临界区;
V
S);              VS);                        VS);
……                  ……            ……           ……

    其中信号量S用于互斥,初值为1
   
使用PV操作实现进程互斥时应该注意的是:
   
1)每个程序中用户实现互斥的PV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,要认真检查其成对性。
   
2PV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

    利用信号量和PV操作实现进程同步
PV
操作是典型的同步机制之一。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;当信号量的值非0时,表示期望的消息已经存在。用PV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操作发送消息。
   
使用PV操作实现进程同步时应该注意的是:

    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,哪个进程先执行,哪些进程后执行,彼此间通过什么资源(信号量)进行协调,从而明确要设置哪些信号量。
   
2)信号量的初值与相应资源的数量有关,也与PV操作在程序代码中出现的位置有关。
   
3)同一信号量的PV操作要成对出现,但它们分别在不同的进程代码中。

【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。

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
生产者进程

while(TRUE){

生产一个产品
;
    
P(empty);

    
产品送往Buffer;
    
V(full);
}

消费者进程

while(True){
P(full);

  
Buffer取出一个产品;
  
V(empty);

  
消费该产品;
  
}
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

    设缓冲区的编号为1n-1,定义两个指针inout,分别是生产者进程和消费者进程使用的指
,指向下一个可用的缓冲区。

生产者进程

while(TRUE){

     
生产一个产品;
    
P(empty);

    
产品送往bufferin);
    
in=(in+1)mod n

    
V(full);
}

消费者进程

while(TRUE){

 
P(full);

  
bufferout)中取出产品;
  
out=(out+1)mod n

  
V(empty);

  
消费该产品;
  
}

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。
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1n-1,定义两个指针inout,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。
生产者进程

while(TRUE){

     
生产一个产品;
    
P(empty);
    
P(mutex1)

    
产品送往bufferin);
    
in=(in+1)mod n

    
V(mutex1);
    
V(full);
}

消费者进程

while(TRUE){

 
P(full)
   P(mutex2)

  
bufferout)中取出产品;
  
out=(out+1)mod n

  
V
mutex2);
  
V(empty);

  
消费该产品;
  
}
  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。

【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吃者取用,请用PV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。

    :在本题中,应设置三个信号量SSoSa,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();      /*
父亲进程*/
           
son();        /*
儿子进程*/
         
  daughter();    /*
女儿进程*/
       
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;
           


 

思考题:

四个进程ABCD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PV操作进行管理,请回答下面的问题:
   
1)应定义的信号量及初值:                   
   
2)在下列的程序中填上适当的PV操作,以保证它们能正确并发工作:
    
A()                B()                  C()                 D()
     
{                 {                    {                  {
     
[1];                [3];                  [5];                 [7];
     
read F;             read F;                read F;              read F;
    
[2];                [4];                  [6];                 [8];
      
}                  }                    }                  

    思考题解答:
1)定义二个信号量S1S2,初值均为1,即:S1=1S2=1。其中进程AC使用信号量S1,进程BD使用信号量S2
2)从[1][8]分别为:P(S1) V(S1) P(S2) V(S2) P(S1) V(S1) P(S2) V(S2)

 

具体PV原语对信号量的操作可以分为三种情况:

1)              把信号量视为一个加锁标志位,实现对一个共享变量的互斥访问。

实现过程:

P(mutex);           // mutex的初始值为1

访问该共享数据;

V(mutex);

非临界区

2)              把信号量视为是某种类型的共享资源的剩余个数,实现对一类共享资源的访问。

实现过程:

P(resource);          // resource的初始值为该资源的个数N

使用该资源;

V(resource);

非临界区

3)              把信号量作为进程间的同步工具

实现过程:

临界区C1    P(S);

V(S);           临界区C2

 

下面用几个例子来具体说明:

1某超市门口为顾客准备了100辆手推车,每位顾客在进去买东西时取一辆推车,在买完东西结完帐以后再把推车还回去。试用PV操作正确实现顾客进程的同步互斥关系。

分析:把手推车视为某种资源,每个顾客为一个要互斥访问该资源的进程。因此这个例子为PV原语的第二种应用类型。

解:semaphore  S_CartNum;   // 空闲的手推车数量, 初值为100

void  consumer(void)           // 顾客进程
{
        P(S_CartNum);

        买东西;

        结帐;

        V(S_CartNum);
}

2桌子上有一个水果盘,每一次可以往里面放入一个水果。爸爸专向盘子中放苹果,儿子专等吃盘子中的苹果。把爸爸、儿子看作二个进程,试用PV操作使这四个进程能正确地并发执行。

分析:爸爸和儿子两个进程相互制约,爸爸进程执行完即往盘中放入苹果后,儿子进程才能执行即吃苹果。因此该问题为进程间的同步问题。

解:semaphore  S_PlateNum;  // 盘子容量,初值为1

semaphore  S_AppleNum;   // 苹果数量,初值为0

void  father( )                // 父亲进程
{

    while(1)

    {
        P(S_PlateNum);

        往盘子中放入一个苹果;

        V(S_AppleNum);

    }
}

void  son( )   // 儿子进程
{

    while(1)

    {
        P(S_AppleNum);

        从盘中取出苹果;

        V(S_PlateNum);

        吃苹果;

    }
}

另附用PV原语解决进程同步与互斥问题的例子:

经典IPC问题如:生产者-消费者,读者-写者,哲学家就餐,睡着的理发师等可参考相关教材。

一、两个进程PAPB通过两个FIFO(先进先出)缓冲区队列连接(如图)

PA

PB

Q1

Q2

    PAQ2取消息,处理后往Q1发消息,PBQ1取消息,处理后往Q2发消息,每个缓冲区长度等于传送消息长度. Q1队列长度为nQ2队列长度为m. 假设开始时Q1中装满了消息,试用PV操作解决上述进程间通讯问题。

解:// Q1队列当中的空闲缓冲区个数,初值为0
semaphore  S_BuffNum_Q1;  

// Q2队列当中的空闲缓冲区个数,初值为m
semaphore  S_BuffNum_Q2;    

// Q1队列当中的消息数量,初值为n
semaphore  S_MessageNum_Q1;

// Q2队列当中的消息数量,初值为0
semaphore  S_MessageNum_Q2;

void  PA( )
{

        while(1)

        {
                P(S_MessageNum_Q2);

                Q2当中取出一条消息;

                V(S_BuffNum_Q2);

                处理消息;

                生成新的消息;

                P(S_BuffNum_Q1);

                把该消息发送到Q1当中;

                V(S_MessageNum_Q1);

        }
}

void  PB( )
{

        while(1)

        {
                P(S_MessageNum_Q1);

                Q1当中取出一条消息;

                V(S_BuffNum_Q1);

                处理消息;

                生成新的消息;

                P(S_BuffNum_Q2);

                把该消息发送到Q2当中;

                V(S_MessageNum_Q2);

        }
}

 

二、《操作系统》课程的期末考试即将举行,假设把学生和监考老师都看作进程,学生有N人,教师1人。考场门口每次只能进出一个人,进考场的原则是先来先进。当N个学生都进入了考场后,教师才能发卷子。学生交卷后即可离开考场,而教师要等收上来全部卷子并封装卷子后才能离开考场。

(1)问共需设置几个进程?

(2)请用PV操作解决上述问题中的同步和互斥关系。

解:semaphore  S_Door;          // 能否进出门,初值1

semaphore  S_StudentReady;    // 学生是否到齐,初值为0

semaphore  S_ExamBegin;   // 开始考试,初值为0

semaphore  S_ExamOver;    // 考试结束,初值为0

int  nStudentNum = 0;          // 学生数目

semaphore  S_Mutex1         //互斥信号量,初值为1

int  nPaperNum = 0;       // 已交的卷子数目

semaphore  S_Mutex2         //互斥信号量,初值为1

void  student( )
{

        P(S_Door);

        进门;
        V(S_Door);

        P(S_Mutex1)

        nStudentNum ++;         // 增加学生的个数

        if(nStudentNum == N)  V(S_StudentReady);

        V(S_Mutex1);

        P(S_ExamBegin);         // 等老师宣布考试开始

        考试中

        交卷;

P(S_Mutex2)

        nPaperNum ++;      // 增加试卷的份数

        if(nPaperNum == N)  V(S_ExamOver);

        V(S_Mutex2);

        P(S_Door);

        出门;

        V(S_Door);

}

void  teacher( )
{

        P(S_Door);

        进门;
        V(S_Door);

        P(S_StudentReady)//等待最后一个学生来唤醒

        发卷子;

        for(i = 1; i <= N; i++)    V(S_ExamBegin);

        P(S_ExamOver);         // 等待考试结束

        封装试卷;

        P(S_Door);

        出门;
        V(S_Door);

}

 

三、某商店有两种食品AB,最大数量均为m个。 该商店将AB两种食品搭配出售,每次各取一个。为避免食品变质,遵循先到食品先出售的原则。有两个食品公司分别不断地供应AB两种食品(每次一个)。为保证正常销售,当某种食品的数量比另一种的数量超过k(k个时,暂停对数量大的食品进货,补充数量少的食品。

(1) 问共需设置几个进程?

(2) PV操作解决上述问题中的同步互斥关系。

解:semaphore  S_BuffNum_A;  //A的缓冲区个数, 初值m

semaphore  S_Num_A;          // A的个数,初值为0

semaphore  S_BuffNum_B;  //B的缓冲区个数, 初值m

semaphore  S_Num_B;          // B的个数,初值为0

void  Shop( )
{

        while(1)

        {
                P(S_Num_A);

                P(S_Num_B)

                分别取出AB食品各一个;

                V(S_BuffNum_A);

                V(S_BuffNum_A);

                搭配地销售这一对食品;

        }
}

// “A食品加1,而B食品不变这种情形允许出现的次数(许可证的数量),其值等于//k-(A-B),初值为k

semaphore  S_A_B;

// “B食品加1,而A食品不变这种情形允许出现的次数(许可证的数量),其值等于//k-(B-A),初值为k

semaphore  S_B_A;

void  Producer_A ( )
{

        while(1)

        {
               
生产一个A食品;

                P(S_BuffNum_A)

                P(S_A_B);

                向商店提供一个A食品;

                V(S_Num_A);

                V(S_B_A);

        }
}

void  Producer_B ( )
{

        while(1)

        {
               
生产一个B食品;

                P(S_BuffNum_B)

                P(S_B_A);

                向商店提供一个B食品;

                V(S_Num_B);

                V(S_A_B);

        }
}

四:在一栋学生公寓里,只有一间浴室,而且这间浴室非常小,每一次只能容纳一个人。公寓里既住着男生也住着女生,他们不得不分享这间浴室。因此,楼长制定了以下的浴室使用规则:(1)每一次只能有一个人在使用;(2)女生的优先级要高于男生,即如果同时有男生和女生在等待使用浴室,则女生优先;(3)对于相同性别的人来说,采用先来先使用的原则。

假设:

1)当一个男生想要使用浴室时,他会去执行一个函数boy_wants_to_use_bathroom,当他离开浴室时,也会去执行另外一个函数boy_leaves_bathroom

2)当一个女生想要使用浴室时,会去执行函数girl_wants_to_use_bathroom,当她离开时, 也会执行函数girl_leaves_bathroom;

问题:请用信号量和PV操作来实现这四个函数(初始状态:浴室是空的)。

解:信号量的定义:

semaphore  S_mutex;     // 互斥信号量,初值均为1

semaphore  S_boys; // 男生等待队列,初值为0

semaphore  S_girls;   // 女生等待队列,初值为0

普通变量的定义:

int  boys_waiting = 0;     // 正在等待的男生数;

int  girls_waiting = 0; // 正在等待的女生数;

int  using = 0;      // 当前是否有人在使用浴室;

void  boy_wants_to_use_bathroom ( )
{

        P(S_mutex);

        if((using == 0) && (girls_waiting == 0))

         {

                using  =  1;

                V(S_mutex);

         }

        else

         {

                boys_waiting ++;

                V(S_mutex);

                P(S_boys);

         }

}

void  boy_leaves_bathroom ( )
{

        P(S_mutex);

        if(girls_waiting  >  0)  // 优先唤醒女生

         {

                girls_waiting --;

                V(S_girls);

         }

        else  if(boys_waiting  >  0)

         {

                boys_waiting --;

                V(S_ boys);

         }

        else    using  =  0;         // 无人在等待

        V(S_mutex);

}

void  girl_wants_to_use_bathroom ( )
{

        P(S_mutex);

        if(using == 0)

         {

                using  =  1;

                V(S_mutex);

         }

        else

         {

                girls_waiting ++;

                V(S_mutex);

                P(S_girls);

         }

}

void  girl_leaves_bathroom ( )
{

        P(S_mutex);

        if(girls_waiting  >  0)  // 优先唤醒女生

         {

                girls_waiting --;

                V(S_girls);

         }

        else  if(boys_waiting  >  0)

         {

                boys_waiting --;

                V(S_ boys);

         }

        else    using  =  0;         // 无人在等待

        V(S_mutex);

}

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