操作系统-PV操作-生产者消费者-读者写者问题

PV操作：

PV操作包括P操作（Proberen，尝试）和V操作（Verhogen，增加），它们通过对信号量的操作来协调进程之间的行为。

信号量（Semaphore）：（理解为flag这样的变量吧）值表示可用资源的数量或等待资源的进程数量。
P操作（Proberen）：用于申请资源。当进程执行P操作时，会检查信号量的值：如果信号量的值大于0，则将其减1，进程继续执行。如果信号量的值为0，则进程被阻塞，等待信号量变为正值。
V操作（Verhogen）：V操作用于释放资源。当进程执行V操作时，会将信号量的值加1；如果信号量的值大于0，则进程继续执行。如果信号量的值小于或等于0，则唤醒一个等待该信号量的进程。

特点： 
不可中断：PV操作不可被中断；
成对出现：上有P，下必有V。（资源只是被借用，借完要还。）

（经典的）司机与售票员问题：

这里PV操作用于同步。

（经典的）生产者-消费者问题：

比如有一个槽，生产者不断往里放东西，消费者不断往外拿东西；如果槽满了，生产者就不能再生产东西往槽里放了；再如果槽空了，消费者就啥也不拿了；此外，生产者和消费者不同时访问这个槽。

这个槽叫做：缓冲区。现在我们使用PV操作来描述这个问题，然后你就会发现这PV操作是多么好用……

我们先使用几个信号量：empty表示缓冲区空闲的位置，full表示缓冲区被占用的位置，mutex表示进程对缓冲区进行了互斥的访问（mutex出现，代表着“我在访问临界区，别人不要进来”）。

其实不需要纠结Pmutex和Vmutex到底是啥操作，你就理解为上厕所时要给门上锁开锁。

下面时生产者和消费者的代码，千万要注意，信号量empty和full是有空闲和有占用（there exists）的意思啊！不是全空或全满！(not all)

void producer() {
    while (true) {
        // 生产数据
        produce_item();

        // 等待空闲位置
        P(empty);

        // 进入临界区，互斥访问缓冲区
        P(mutex);
        // 将数据放入缓冲区
        put_item_into_buffer();
        V(mutex);

        // 增加已占用位置的数量
        V(full);
    }
}

void consumer() {
    while (true) {
        // 等待有数据可消费
        P(full);

        // 进入临界区，互斥访问缓冲区
        P(mutex);
        // 从缓冲区取出数据
        take_item_from_buffer();
        V(mutex);

        // 增加空闲位置的数量
        V(empty);

        // 消费数据
        consume_item();
    }
}

那么再讲一下这个吧:

某寺庙有小和尚、老和尚若干，庙内有一个水缸，由小和尚提水入缸，供老和尚饮用。
水缸可以容纳30桶水，每次入水、取水仅为1桶，不可同时进行。水取自同一口井中，水井径
窄，每次只能容纳一个水桶取水。设水桶个数为5个，试用信号量和PV操作给出老和尚和小
和尚的活动。

典型的生产者消费者问题（对吧）：

生产者：小和尚
消费者：老和尚
缓冲区（有限的且被主要针对的）：水缸，长度（容量）为30桶水。
有限的（除了缓冲区）：桶（5个）。
临界区（冲突，不能同时进行的）：取水/入水（mutex的地方，每次入水、取水仅为1桶，不可同时进行）

悟：PV操作针对所有的有限资源。我们这里有两个缓冲区 -- 水缸，桶，那么就分别会有一对PV操作来描述他们。

void little_monk() {
    while (true) {
        // 等待空闲位置
        P(empty);

        // 等待可用的水桶
        P(bucket);

        // 进入临界区，互斥访问水缸
        P(mutex);
        // 将水倒入水缸
        pour_water_into_tank();
        V(mutex);

        // 增加已占用位置的数量
        V(full);

        // 增加可用的水桶数量
        V(bucket);
    }
}

void old_monk() {
    while (true) {
        // 等待有水可饮用
        P(full);

        // 等待可用的水桶
        P(bucket);

        // 进入临界区，互斥访问水缸
        P(mutex);
        // 从水缸中取水
        take_water_from_tank();
        V(mutex);

        // 增加空闲位置的数量
        V(empty);

        // 增加可用的水桶数量
        V(bucket);
    }
}

接着讲第二个经典操作：读者写者问题。

纯沙比的问题：描述为：比如你有一份共享文档，可以很多人一起读，但是同一时刻只有一个人才可写。当然我们说的不是踏马的文档。我是说进程。理解这个问题之后，看看官方是怎么说的：

“读者-写者问题是操作系统中经典的同步问题，用于描述多个进程（线程）对共享资源的访问问题。在这个问题中，共享资源可以被多个读者进程并发访问，但写者进程在写入数据时需要独占访问。读者和写者之间需要通过同步机制来协调它们的行为，以避免数据不一致或冲突。”

同上面的读者写者问题一样，我们先看：

临界区：这份文档
冲突的：读者和写者，写者和写者

引入以下信号量和变量：
mutex：用于对共享资源的互斥访问，初始值为1。
wrt：用于控制写者对共享资源的独占访问，初始值为1。
rc：一个整数变量，用于记录当前正在读取的读者数量，初始值为0。

然而这里的mutex不是描述这份“文档”（虽然看起来文档才是临界区）：

在读者-写者问题中，mutex通常用于：
保护共享资源的访问，例如读者计数器rc的更新。
确保写者在写入时对共享资源的独占访问。

void writer() {
    while (true) {
        // 等待独占访问
        P(wrt);

        // 修改共享资源
        write_shared_resource();

        // 释放独占访问
        V(wrt);
    }
}

void reader() {
    while (true) {
        // 等待可以读取
        P(can_read);

        // 等待进入读取状态
        P(mutex);
        rc++;
        if (rc == 1) {
            // 如果是第一个读者，阻塞写者
            P(wrt);
        }
        V(mutex);

        // 读取共享资源
        read_shared_resource();

        // 等待离开读取状态
        P(mutex);
        rc--;
        if (rc == 0) {
            // 如果是最后一个读者，释放写者
            V(wrt);
        }
        V(mutex);

        // 释放可以读取
        V(can_read);
    }
}

这里出现了两组PVmutex：第一组：置Pwrt的时候，只需要一个读者，第二组：释放wrt的时候，也只需要一个读者，避免了多个读者同时阻止/释放wrt的情况。