unix中的PV原语

PV原语通过操作信号量来处理进程间的同步与互斥的问题。其核心就是一段不可分割不可中断的程序。

信号量的概念1965年由著名的荷兰计算机科学家Dijkstra提出，其基本思路是用一种新的变量类型（semaphore）来记录当前可用资源的数量。有两种实现方式：1）semaphore的取值必须大于或等于0。0表示当前已没有空闲资源，而正数表示当前空闲资源的数量；2）semaphore的取值可正可负，负数的绝对值表示正在等待进入临界区的进程个数。

信号量是由操作系统来维护的，用户进程只能通过初始化和两个标准原语（P、V原语）来访问。初始化可指定一个非负整数，即空闲资源总数。

P原语：P是荷兰语Proberen（测试）的首字母。为阻塞原语，负责把当前进程由运行状态转换为阻塞状态，直到另外一个进程唤醒它。操作为：申请一个空闲资源（把信号量减1），若成功，则退出；若失败，则该进程被阻塞；

V原语：V是荷兰语Verhogen（增加）的首字母。为唤醒原语，负责把一个被阻塞的进程唤醒，它有一个参数表，存放着等待被唤醒的进程信息。操作为：释放一个被占用的资源（把信号量加1），如果发现有被阻塞的进程，则选择一个唤醒之。



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<m)个时，暂停对数量大的食品进货，补充数量少的食品。

(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);

}

转自：http://blog.csdn.net/ppooqq/archive/2006/07/28/994849.aspx