P、V操作

本文介绍了P、V操作的概念及其在进程同步中的应用。通过信号量结构,详细阐述了P操作(申请资源)和V操作(释放资源)的实现。讨论了如何使用信号量实现互斥访问临界区,以及解决生产者-消费者问题的同步方案。此外,强调了在使用P、V操作时应注意成对出现以及避免死锁的问题。
P:申请一个资源
V:释放一个资源
struct semaphore
{
	int value;//信号量的值,表示可用资源的数目
	List_of_precess L;//在此信号量上等待的进程队列的对手指针
}S;
 if(S.value>0):可供使用的资源的数目
 if(S.value==0):无资源、无进程等待
 if(S.value<0):相反数为等待使用资源的进程的数目
 
 
在信号量上,可建立如下的P、V操作

void P(S)
{
	lock interrupts;//中断
	S.value--;
	if(S.value<0)
	{
		add this process to S.L;
		block;
	}
}
void V(S)
{
	S.value++;
	if(S.value<=0)
	{
		remove a process Pi from S.L;
		unlock(Pi);
	}
}

为了使多个进程互斥地进入各自的同类临界区,可以设置一个互斥信号量,例如mutex,置初始值为1,
并在每一个临界区的前后插入此信号量上的P、V操作,是每个进程有如下结构
void P(int i)
{
	while(true)
	{
		P(mutex);
		critical section;
		V(mutex);
		non-critical section;
	}
}

考虑两个进程P1、P2,P1有程序S1,P2有程序S2。要求设计一个同步方案,使得S1在S2完成以后才执行,为此,
设置一个信号量synch,初始值为0,并使P1、P2有如下形式
void P1()
{
	...
	P(synch);
	S1;
	...
}

void P2()
{
	...
<think>我们被要求详细解释信号量的P操作和V操作。根据提供的引用材料,我们可以总结如下:1.信号量(Semaphore)是一个具有非负整数值的全局变量,用于多线程或多进程环境中的同步与互斥。2.P操作和V操作是信号量的两个原子操作。具体定义:-**P操作(P(s))**:-如果信号量s的值大于0,则将其减1,然后进程继续执行。-如果信号量s的值为0,则进程被阻塞(挂起),直到s变为非零(即其他进程执行V操作增加s的值),然后该进程被唤醒,将s减1,并继续执行。-**V操作(V(s))**:-将信号量s的值加1。-如果有进程阻塞在P操作上等待该信号量(即等待s变为非零),则V操作会唤醒其中一个进程(具体唤醒哪个进程取决于实现,通常是从等待队列中选择一个)。注意:P和V操作都是原子操作,意味着它们在执行过程中不会被中断。引用材料中特别强调了:-信号量的值不会为负(由P/V操作的定义保证)。-在生产者-消费者问题中,信号量常用于解决同步问题(如引用[2]所述)。此外,引用[3]给出了一个家庭吃水果问题的示例代码,其中使用了多个信号量来实现同步。现在,我们将详细解释P/V操作,并给出一个简单的例子(如生产者-消费者问题)来说明其应用。###信号量的P操作和V操作详解####1.信号量的基本概念信号量是由Dijkstra提出的一种同步机制,主要用于解决并发进程(或线程)之间的同步和互斥问题。信号量本质上是一个计数器,其值表示某种资源的数量。通过P操作和V操作来改变信号量的值,从而实现进程的阻塞和唤醒。####2.P操作(wait操作)P操作也称为等待操作,其伪代码通常如下:```cvoidP(semaphores){s.value--;//或者先检查再减,但必须是原子操作if(s.value<0){//将当前进程加入到s的等待队列block();//阻塞当前进程}}```但实际上,为了避免竞争条件,P操作必须是原子操作。通常的实现是使用硬件支持(如测试并置位指令)或禁止中断来保证原子性。####3.V操作(signal操作)V操作也称为信号操作,其伪代码通常如下:```cvoidV(semaphores){s.value++;if(s.value<=0){//说明有进程在等待,唤醒等待队列中的一个进程wakeup();//唤醒一个等待进程}}```同样,V操作也必须是原子操作。####4.信号量的类型-**二进制信号量(BinarySemaphore)**:信号量的值只能是0或1,常用于互斥。-**计数信号量(CountingSemaphore)**:信号量的值可以是任意非负整数,用于控制对多个资源的访问。####5.生产者-消费者问题示例生产者-消费者问题是一个经典的同步问题。假设有一个缓冲区,生产者向缓冲区放入产品,消费者从缓冲区取走产品。我们需要保证当缓冲区满时生产者不会继续放入,缓冲区空时消费者不会继续取走。我们可以使用两个计数信号量和一个互斥信号量:-`empty`:表示缓冲区中空闲位置的数量,初始值为N(缓冲区大小)。-`full`:表示缓冲区中已放置产品的数量,初始值为0。-`mutex`:互斥信号量,用于保证对缓冲区的互斥访问,初始值为1。**生产者进程:**```cwhile(true){//生产一个产品P(empty);//等待缓冲区有空位P(mutex);//进入临界区,互斥访问缓冲区//将产品放入缓冲区V(mutex);//离开临界区V(full);//增加一个产品,唤醒可能等待的消费者}```**消费者进程:**```cwhile(true){P(full);//等待缓冲区有产品P(mutex);//进入临界区//从缓冲区取走产品V(mutex);//离开临界区V(empty);//增加一个空位,唤醒可能等待的生产者}```注意:这里两个P操作的顺序很重要,如果颠倒可能会导致死锁(例如,当缓冲区满时,生产者先获得互斥锁,然后等待空位,但此时消费者因为无法获得互斥锁而无法消费)。通常建议先进行资源信号量的P操作(如`empty`和`full`)再进行互斥信号量的P操作(`mutex`),以避免死锁。####6.信号量的特性-**原子性**:P/V操作是原子操作,不可分割。-**阻塞性**:当进程执行P操作而信号量值为0时,进程会被阻塞,直到其他进程执行V操作。-**唤醒机制**:V操作会唤醒等待队列中的一个进程(具体唤醒哪一个取决于调度策略,如FIFO或随机)。####7.使用注意事项-避免死锁:确保多个信号量请求的顺序一致。-避免饥饿:确保等待的进程最终会被唤醒。通过以上解释,我们详细介绍了信号量的P操作和V操作。接下来,我们可以生成几个相关问题。§§相关问题§§1.在生产者-消费者问题中,如果交换P(mutex)和P(empty)的顺序会有什么后果?2.如何用信号量实现多进程/多线程的互斥?3.信号量和互斥锁有什么区别?</think>### 信号量的P操作和V操作详解 #### **1. 信号量基本概念** 信号量(Semaphore)是一种**同步机制**,用于协调多线程/多进程对共享资源的访问。核心特征: - 是一个**非负整数全局变量**(通常用`s`表示) - 只能通过两个原子操作访问:**P操作**和**V操作** - 主要解决两类问题: - **互斥访问**(二进制信号量) - **资源计数**(计数信号量) > 引用[1]:信号量s是具有非负整数值的全局变量,只能由两种特殊的操作来处理,这两种操作称为P和V。[^1] #### **2. P操作详解** **定义**:P操作(源自荷兰语"Proberen",意为"测试") ```c P(semaphore s) { if (s > 0) { s = s - 1; // 立即消耗一个资源 } else { 挂起当前线程/进程; // 阻塞等待资源 } } ``` **行为逻辑**: - 当`s > 0`:减少信号量值(`s--`),线程继续执行 - 当`s = 0`:**阻塞当前线程**,直到其他线程执行V操作 - **原子性**:整个操作不可中断 > 引用[2]:P操作对应资源的申请,若资源不足则阻塞。[^2] #### **3. V操作详解** **定义**:V操作(源自荷兰语"Verhogen",意为"增加") ```c V(semaphore s) { s = s + 1; // 释放一个资源 if (有线程阻塞在P操作上) { 唤醒一个阻塞线程; // 重启等待者 } } ``` **行为逻辑**: - 总是增加信号量值(`s++`) - 若有线程因P操作阻塞,则**唤醒其中一个**(唤醒顺序取决于实现) - **原子性**:整个操作不可中断 > 引用[1]:V操作会重启这些线程中的一个,然后该线程将s减1,完成它的P操作。[^1] #### **4. 关键特性** - **非负约束**:通过P/V操作定义确保`s ≥ 0`(引用[1]) - **阻塞唤醒机制**: - P操作可能引发阻塞 - V操作可能触发唤醒 - **无顺序保证**: - V操作唤醒的线程顺序不确定(引用[1]) - 可能引发饥饿问题(需设计时规避) #### **5. 应用场景示例** **场景1:互斥锁(二进制信号量)** ```c semaphore mutex = 1; // 初始值1(未锁定) // 线程进入临界区前 P(mutex); // 临界区代码... // 线程离开临界区后 V(mutex); ``` **场景2:生产者-消费者问题** ```c semaphore empty = N; // 空缓冲区数量 semaphore full = 0; // 满缓冲区数量 semaphore mutex = 1; // 缓冲区互斥锁 // 生产者 void producer() { while(1) { P(empty); // 等待空位 P(mutex); // 获取缓冲区锁 /* 生产数据放入缓冲区 */ V(mutex); V(full); // 增加一个产品 } } // 消费者 void consumer() { while(1) { P(full); // 等待产品 P(mutex); /* 从缓冲区取数据消费 */ V(mutex); V(empty); // 释放空位 } } ``` > 引用[3]:生产者-消费者模型中通过P(empty)/V(full)控制资源计数。[^3] #### **6. 使用注意事项** 1. **原子性必须保证**:P/V操作需由OS或硬件实现为原子指令 2. **死锁风险**: - 避免嵌套请求信号量(如:线程A持有S1请求S2,线程B持有S2请求S1) 3. **优先级反转**: - 高优先级线程可能被低优先级线程阻塞(需配合优先级继承机制) #### **7. 与其他同步机制对比** | 机制 | 特点 | 适用场景 | |-------------|-------------------------------|------------------------| | 信号量 | 灵活计数,支持N线程访问 | 生产者-消费者、读写锁 | | 互斥锁 | 仅二进制状态(锁定/未锁定) | 简单临界区保护 | | 条件变量 | 需配合互斥锁,支持复杂条件等待| 事件通知型同步 | > 信号量可模拟互斥锁(初始化`s=1`),但互斥锁不能直接实现资源计数。
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