PV 操作是操作系统中用于实现进程同步与互斥的重要机制，基于信号量（Semaphore）的原子操作

原创于 2026-01-08 00:00:00 发布 · 1.1k 阅读

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PV 操作是操作系统中用于实现进程同步与互斥的重要机制，基于信号量（Semaphore）的原子操作，由荷兰计算机科学家 Edsger Dijkstra 提出。其核心包括两个原子操作：P 操作（Proberen，测试）和 V 操作（Verhogen，增加）。

PV 操作的定义
- P 操作（wait 操作）：
  对信号量 S 执行 S = S - 1；
  若 S < 0，说明资源不可用或有进程等待，则将当前进程阻塞并插入该信号量的等待队列中；
  否则，进程继续执行。
- V 操作（signal 操作）：
  对信号量 S 执行 S = S + 1；
  若 S ≤ 0，说明有进程正在等待该资源，则唤醒一个等待进程并将其移入就绪队列；
  否则，进程继续执行。
PV 操作实现进程互斥
使用一个二进制信号量 mutex（初始值为 1）来保护临界区资源：
```
P(mutex)
    临界区（访问共享资源）
V(mutex)
```
由于 mutex 初始为 1，仅允许一个进程进入临界区。其他试图进入的进程将在 P 操作时被阻塞，直到前一个进程执行 V 操作释放锁。
示例：交通流量统计程序的互斥实现
共享变量：COUNT（记录车流量）
进程 P₁：统计车流量 → 修改 COUNT
进程 P₂：打印 COUNT 并重置为 0

为避免数据竞争，两者都必须通过 PV 操作访问 COUNT：
```
// P₁:
P(mutex)
    COUNT = COUNT + 新增车辆数
V(mutex)

// P₂:
P(mutex)
    print(COUNT)
    COUNT = 0
V(mutex)
```
这样确保任一时刻只有一个进程在操作 COUNT，实现了互斥访问。
PV 操作实现进程同步
同步关注的是进程间的执行顺序。例如，要求进程 P₂ 必须在 P₁ 完成某项操作后才能执行。
可定义一个信号量 synch，初值为 0：
- P₁ 执行完特定操作后执行 V(synch)（表示“消息已产生”）
- P₂ 在开始前先执行 P(synch)（等待“消息到达”）
代码结构如下：
```
// 初始化：synch = 0

// 进程 P₁:
    执行操作 ...
    V(synch)    // 通知 P₂ 可以开始了

// 进程 P₂:
    P(synch)    // 等待 P₁ 完成
    开始执行 ...
```
此机制保证了 P₂ 不会早于 P₁ 完成前运行，从而实现同步。

PV 操作是并发控制的基础工具，既能解决临界资源的竞争问题（互斥），也能协调进程之间的执行次序（同步），广泛应用于操作系统内核、多线程编程及分布式系统设计中。
信号量（Semaphore）是一种用于控制多个进程或线程对共享资源访问的同步机制，由荷兰计算机科学家 Edsger Dijkstra 提出。它是一个整型变量，仅能通过两个原子操作 P 操作（wait）和 V 操作（signal）进行修改：

P 操作：申请资源，将信号量减 1；若结果小于 0，则进程被阻塞。
V 操作：释放资源，将信号量加 1；若结果小于等于 0，则唤醒一个等待进程。

根据初始值不同，信号量可分为：

二进制信号量（Binary Semaphore）：初值为 1 或 0，只能取 0 或 1，用于实现互斥。
计数信号量（Counting Semaphore）：初值可大于 1，用于管理多个相同类型的资源（如缓冲区槽位数量）。

信号量与互斥锁的区别如下：

对比项	信号量（Semaphore）	互斥锁（Mutex）
用途	可用于实现互斥和同步（如顺序控制、资源计数）	仅用于实现线程/进程间的互斥访问
资源数量	支持多个资源的管理（计数信号量）	仅保护单一资源（唯一所有权）
所有权概念	无严格所有权，任何线程都可以执行 V 操作唤醒其他线程	有严格的所有权：必须由加锁的线程解锁
使用灵活性	更灵活，可用于复杂同步场景（如生产者-消费者）	使用受限，专用于临界区保护
实现基础	基于计数器 + 等待队列	通常基于信号量实现的一种特殊情形（二进制信号量 + 所有权机制）