操作系统 -- PV操作

操作系统 -- PV操作

三态模型

进程通常分为就绪、运行和阻塞三种工作状态。

三种状态在某些条件下可以转换，具体转换关系如下：

进程三个状态之间的转换是通过PV操作和信号量来控制的，其中信号量起到了很重要的作用。

信号量

信号量是最早出现的用来解决进程同步与互斥问题的机制。信号量（Saphore）由一个值和一个指针组成，指针指向等待该信号量的进程，信号量的值表示相应资源的使用情况。信号量 ​​S>=0​​​ 时，​​S​​ 表示可用资源的数量，执行一次P操作意味着请求分配一个资源，因此 ​​S​​​ 的值减 ​​1​​ ；信号量 ​​S<0​​​ 时，表示已经没有可用资源，​​S​​ 的绝对值表示当前等待该资源的进程数，请求者必须等待其他进程释放该类资源才能继续运行，而执行一个V操作意味着释放一个资源，因此 ​​S​​​ 的值加 ​​1​​ ；若 ​​S<0​​ ，表示有某些进程正在等待该资源，因此要唤醒一个等待状态的进程，使之运行下去。注意，信号量的值只能通过PV操作来改变。

两类问题

在说明这两类问题之前首先解释一些相关的概念：

PV操作：一种实现进程互斥与同步的有效方法，包含P操作与V操作。

P操作：使 ​​S=S-1​​​ ，若 ​​S>=0​​ ，则该进程继续执行，否则排入等待队列。

V操作：使 ​​S=S+1​​​ ，若 ​​S>0​​ ,唤醒等待队列中的一个进程。

临界资源：同一时刻只允许一个进程访问的资源，与上面所说的 ​​S​​ 有关联。

缓冲区问题

进程 ​​P1​​​ 将信息输入到缓冲区 ​​B​​​ 中，进程 ​​P2​​​ 负责从缓冲区 ​​B​​​ 中取出数据输出，缓冲区容量为 ​​n​​ 。

对于进程 ​​P1​​​ 来说，如果缓冲区满，则应暂停输入，等待 ​​P2​​ 进程取走数据后再输入新数据；

而对于进程 ​​P2​​​ 来说，如果缓冲区空，则应等待 ​​P1​​ 进程送来新数据。

我们首先分析一下，假设缓冲区未满且有数据存在时， ​​P2​​​ 进程可以顺利的取出一个数据，同样 ​​P1​​ 进程此时也可以顺利的添加一个数据。

也就是说，对于这两个进程的每一次操作，只要初始条件满足，那么它一定可以顺利的执行下去，不会受到其他条件的制约。

于是便有：

P1(){ P(empty); 输入新数据; V(full);}P2(){ P(full); 取出数据; V(empty);}

其中 ​​empty​​​ 初始值为缓冲区容量 ​​n​​​ ， ​​full​​​ 初始值为 ​​0​​ 。

假如缓冲区为空时， ​​P2​​​ 进程阻塞， ​​P1​​​ 可以顺利执行，随后唤醒 ​​P2​​ 进程运行。

假如缓冲区为满时， ​​P1​​​ 进程阻塞， ​​P2​​​ 可以顺利执行，随和唤醒 ​​P1​​ 进程运行。

其中的制约关系如下

公交车司机售票员问题

设公交车上司机的活动是启动车辆，正常行车，到站停车；售票员的活动是关车门，售票，开车门，用信号量和PV操作来实现它们的同步。

首先设信号量 ​​S1​​​ 、 ​​S2​​ ，其中：

​​S1​​​ 表示是否允许司机启动汽车，初始值为 ​​0​​ 。

​​S2​​​ 表示是否允许售票员开门，初始值为 ​​0​​ 。

于是便有：

司机进程(){ P(S1); 启动车辆; 正常行驶; 到站停车; V(S2);}售票员进程(){ 关车门; V(S1); 售票; P(S2); 开车门; 上下客;}

我们来分析一下这个过程， ​​S1​​​ 与 ​​S2​​​ 的初始值都为 ​​0​​ 。

如果售票员没有关车门的话司机进程会阻塞在P操作之前，直到售票员关闭车门后执行V操作唤醒司机进程启动车辆…

之后的一段时间司机进程与售票员进程可以同时运行。

当司机到站停车前售完票的售票员会阻塞在P操作之前，直到司机到站停车后执行V操作唤醒售票员开车门，然后上下客。

（那么问题来了，如果到站停车后售票员还没有售完票会怎么样呢？答案是售票员会继续售票，直到结束以后才会开车门上下客，然后耽误了好多乘客的时间于是被解雇了，hahah没有那么夸张啦~）

这便是公交车司机与售票员之间的制约关系了，如下：

总结

使用PV操作实现进程同步时应该注意的问题有：

同一信号量的P、V操作要成对出现信号量的初始值与相应资源的数量有关，也与P、V操作在程序中出现的位置有关我们要首先分析出进程间的制约关系，在保证进程间有正确同步关系的情况下，确定哪一个进程先执行，哪一个进程后执行，彼此间应该用什么信号量来协调

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