PV操作与信号量详解-优快云博客

PV操作
- 定义：由P操作原语和V操作原语(不可中断)，对信号量进行操作
- 具体定义：
  - P(S):1。.信号量S减1；如果S>=0，则继续执行；否则该进程置于等待状态，排入等待队列。
  - V(S):1.信号量S加1；2.如果S>0,则进程继续执行；S<0应该要释放队列中第一个等待信号量的进程，然后继续执行。
    
    注：如果这里的S=0？解析：这里不会出现S=0；因为S=0的话，那么V之前的信号量为-1。再P之前，信号量为0。反推过程，S-1后为-1，进程应该进入等待队列。
- 意义：使用信号量和PV操作实现进程的同步和互斥。
信号量
- 信号量的值：与相应资源的使用情况联系
  - 当值大于0，表示当前可用资源的数量；
  - 当值小于0，其绝对值表示等待使用该资源的进程个数。
  - 当值等于0，此时有一个进程是在使用该资源的，但还没有等待的进程。下一个进程会进入等待队列。

信号量和PV操作实现进程互斥

一般模型：
进程P1
...
P(S);
临界区;
V(S);

信号量S用于互斥，初值为1。
使用PV操作实现进程互斥应该注意：
1.成对性：每个程序实现互斥的PV操作应成对出现，先做P操作，进临界区，后做V操作，出临界区。有多个分支，要仔细检查成对性
2.PV操作应紧靠临界区头尾部，且临界区代码尽可能短，不能有死循环
3.互斥信号量初值一般为1。注意：这里不一定为1哦！

信号量和PV操作实现进程同步

一个信号量与一个消息联系起来，
- 当信号量值为0，表示期望消息尚未产生
- 当信号量为非0，表示期望消息已经存在
调用P操作测试消息是否到达，调用V操作发送消息
PV操作实现进程同步时注意：
1. 成对性：同一信号量的PV操作要成对出现，但要分别在不同的程序代码中。
2. 分析进程间制约关系，来确定信号量种类。
3. 同步信号量的初值与相应资源的数量有关，也与P、V操作在代码中的位置有关

问题：

例1 生产者-消费者问题
1)一个生产者、一个消费者，公用一个缓冲区。
解析：定义两个同步信号量  
empty===表示缓冲区是否为空，初值为1
full===表示缓冲区是否为满，初值为0

思考：为什么这里不用一个同步信号量呢？
个人见解：

生产者进程：
while(TRUE){
  生产一个产品;
  P(empty); //empty>=0则继续执行,否则加入等待队列;还有缓存
  产品送往Buffer;
  V(full);
}
消费者进程：
while(TRUE){
  P(full);//full>=0则继续执行，否则加入等待队列;还有产品了
  从Buffer中取出一个产品；
  V(empty);
}

2)一个生产者、一个消费者，公用n个环形缓冲区。
解析：定义两个同步信号量：
empty==表示缓存区是否为空，初值为n;
full===表示缓冲区是否为满,初值为0;
设缓冲区编号为1-n-1,定义两个指针in和out
生产者进程
while(TRUE){
  生产一个产品;
  P(empty); //empty>=0则继续执行,否则加入等待队列;还有缓存
  产品送往Buffer;
  in=(in+1)mod n;
  V(full);
}

消费者进程：
while(TRUE){
  P(full);//full>=0则继续执行，否则加入等待队列;还有产品了
  从Buffer中取出一个产品；
  out=(out+1) mod n;
  V(empty);
}
3)一组生产者、一组消费者，公用n个环形缓冲区。
解析：这里还要考虑生产者之间、消费者之间必须互斥地访问缓冲区
定义4个信号量
empty===表示缓冲区是否为空，初值为n
full===表示缓冲区是否为满，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

生产者进程
while(TRUE){
  生产一个产品;
  P(empty); //empty>=0则继续执行,否则加入等待队列;还有缓存
  P(mutex1);//互斥信号量应紧贴临界区。
  产品送往Buffer;
  in=(in+1)mod n;
  V(mutex1);
  V(full);
}

消费者进程
while(TRUE){
  P(full);//full>=0则继续执行，否则加入等待队列;还有产品了
  P(mutex2);
  从Buffer中取出一个产品；
  out=(out+1) mod n;
  V(mutex2);
  V(empty);
}
注意：无论生产者进程还是消费者进程中，两个P的操作不能颠倒次序。否则会造成死锁。
例2 桌子上有一空盘，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。规定盘空时一次只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。
1.首先分析 信号量

PV原语对信号量的操作的3种情况
- 视为一个加锁标志位，实现对一个共享变量的互斥访问
- 视为某种类型的共享资源的剩余个数
- 做为进程间的同步工具
补充：同步和互斥的概念
- 互斥：同一资源只允许一个访问者对齐进行访问，具有唯一性和排它性。访问无序。
- 同步：在互斥的基础上(大多数情况)，通过其他机制实现访问者对资源的有序访问。