2014年（21）
分类： LINUX
2014-09-01 13:16:33
原文地址：信号量与PV操作 作者：chenmeng11
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）； P（S）； P（S）；
临界区； 临界区； 临界区；
V（S）； V（S）； V（S）；
…… …… …… ……
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P、V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。
（2）P、V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P、V操作在程序代码中出现的位置有关。
（3）同一信号量的P、V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);
从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1～n-1，定义两个指针in和out，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buffer（in）；
in=(in+1)mod n；
V(full);
}
消费者进程
while(TRUE){
P(full);
从buffer（out）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1～n-1，定义两个指针in和out，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buffer（in）；
in=(in+1)mod n；
V(mutex1);
V(full);
}
消费者进程
while(TRUE){
P(full)
P(mutex2)；
从buffer（out）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(); /*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A、B、C、D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P、V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S1、S2，初值均为1，即：S1=1，S2=1。其中进程A和C使用信号量S1，进程B和D使用信号量S2。
（2）从[1]到[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：
例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P、V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);
}
例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P、V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PA、PB通过两个FIFO（先进先出）缓冲区队列连接（如图）
|
PA |
|
PB |
|
Q1 |
|
Q2 |
PA从Q2取消息，处理后往Q1发消息，PB从Q1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n，Q2队列长度为m. 假设开始时Q1中装满了消息，试用P、V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);
从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);
从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P、V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A和B，最大数量均为m个。 该商店将A、B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A、B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
(1) 问共需设置几个进程?
(2) 用P、V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A、B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P、V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);
}
