(完整word版)經(jīng)典PV操作講解和練習題

1、在計算機操作系統(tǒng)中，PV操作是進程管理中的難點。首先應(yīng)弄清PV操作的含義：PV操作由P操作原語和V操作原語組成(原語是不可中斷的 過程)，對信號量進行操作，具體定義如下：P ( S)：將信號量S的值減1 ,即S=S-1 ;如果S30,則該進程繼續(xù)執(zhí)行；否則該進程置為等待狀態(tài)，排入等待隊列。V (S)：將信號量S的值加1,即S=S+1 ;如果S>0 ,則該進程繼續(xù)執(zhí)行；否則釋放隊列中第一個等待信號量的進程。PV操作的意義：我們用信號量及 PV操作來實現(xiàn)進程的同步和互斥。PV操作屬于進程的低級通信。什么是信號量？信號量(semaphore )的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為一個值和一個指針，指針指向等待該信 號

2、量的下一個進程。 信號量的值與相應(yīng)資源的使用情況有關(guān)。當它的值大于0時，表示當前可用資源的數(shù)量；當它的值小于0時，其絕對值表示等待使用該資源的進程個數(shù)。注意，信號量的值僅能由PV操作來改變。一般來說，信號量S30時，S表示可用資源的數(shù)量。執(zhí)行一次P操作意味著請求分配一個單位資源，因此 S的值減1;當S<0時，表示已經(jīng)沒有可用資源，請求者必須等待別的進 程釋放該類資源，它才能運行下去。而執(zhí)行一個V操作意味著釋放一個單位資源，因此 S的值加1;若S£0,表示有某些進程正在等待該資源，因此要喚醒一個等待狀態(tài)的進程，使 之運行下去。利用信號量和PV操作實現(xiàn)進程互斥的一般模型是：進程P1

3、進程P2進程PnP (S)；P(S)；P(S)；臨界區(qū)；臨界區(qū)；臨界區(qū)；V (S)；V (S)；V(S)；其中信號量S用于互斥，初值為 1。使用PV操作實現(xiàn)進程 互斥時應(yīng)該注意的是：(1)每個程序中用戶實現(xiàn)互斥的 P、V操作必須 成對出現(xiàn)，先做P操作，進臨界區(qū)，后 做V操作，出臨界區(qū)。若有多個分支，要認真檢查其成對性。(2) P、V操作應(yīng)分別緊靠臨界區(qū)的頭尾部，臨界區(qū)的代碼應(yīng)盡可能短，不能有死循環(huán)。(3)互斥信號量的初值一般為 1。利用信號量和 PV操作實現(xiàn)進程同步PV操作是典型的同步機制之一。 用一個信號量與一個消息聯(lián)系起來， 當信號量的值為0時, 表示期望的消息尚未產(chǎn)生；當信號量的值非 0

4、時，表示期望的消息已經(jīng)存在。 用PV操作實 現(xiàn)進程同步時，調(diào)用 P操作測試消息是否到達，調(diào)用 V操作發(fā)送消息。使用PV操作實現(xiàn)進程同步時應(yīng)該注意的是：(1)分析進程間的制約關(guān)系， 確定信號量種類。在保持進程間有正確的同步關(guān)系情況下， 哪個進程先執(zhí)行，哪些進程后執(zhí)行，彼此間通過什么資源(信號量)進行協(xié)調(diào)，從而明確要 設(shè)置哪些信號量。(2)信號量的初值與相應(yīng)資源的數(shù)量有關(guān)，也與P、V操作在程序代碼中出現(xiàn)的位置有關(guān)。(3)同一信號量的P、V操作要成對出現(xiàn)，但它們 分別在不同的進程代碼中。PV操作(二)【例1】生產(chǎn)者-消費者問題在多道程序環(huán)境下，進程同步是一個十分重要又令人感興趣的問題，而生產(chǎn)者-消費

5、者問題是其中一個有代表性的進程同步問題。下面我們給出了各種情況下的生產(chǎn)者-消費者問題，深入地分析和透徹地理解這個例子，對于全面解決操作系統(tǒng)內(nèi)的同步、互斥問題將有很大幫助。(1) 一個生產(chǎn)者，一個消費者，公用一個緩沖區(qū)。定義兩個同步信號量：empty表示緩沖區(qū)是否為空，初值為 1。full表不'緩沖區(qū)中是否為滿，初值為 0。生產(chǎn)者進程while(TRUE)生產(chǎn)一個產(chǎn)品；P(empty);產(chǎn)品送往Buffer;V(full);消費者進程while(True)P(full);從Buffer取出一個產(chǎn)品；V(empty);消費該產(chǎn)品；(2) 一個生產(chǎn)者，一個消費者，公用 n個環(huán)形緩沖區(qū)。定義兩

6、個同步信號量：empty 表示緩沖區(qū)是否為空，初值為 n 。full 表示緩沖區(qū)中是否為滿，初值為 0 。設(shè)緩沖區(qū)的編號為1n-1 ,定義兩個指針in和out,分別是生產(chǎn)者進程和消費者進程使 用的指針，指向下一個可用的緩沖區(qū)。生產(chǎn)者進程while(TRUE)生產(chǎn)一個產(chǎn)品 ;P(empty);產(chǎn)品送往buffer ( in )；in=(in+1)mod n ；V(full);消費者進程while(TRUE)P(full);從 buffer ( out )中取出產(chǎn)品；out=(out+1)mod n ；V(empty);消費該產(chǎn)品 ;( 3 )一組生產(chǎn)者，一組消費者，公用 n 個環(huán)形緩沖區(qū)在這個問

7、題中， 不僅生產(chǎn)者與消費者之間要同步， 而且各個生產(chǎn)者之間、 各個消費者之間 還必須互斥地訪問緩沖區(qū)。定義四個信號量：empty 表示緩沖區(qū)是否為空，初值為 n 。full 表示緩沖區(qū)中是否為滿，初值為 0 。1。1。in 和 out ，分別是生產(chǎn)者進程和消費者進程使mutex1 生產(chǎn)者之間的互斥信號量，初值為號量，初值為mutex2 消費者之間的互斥信號量，初值為設(shè)緩沖區(qū)的編號為1n-1 ,定義兩個指針 用的指針，指向下一個可用的緩沖區(qū)。生產(chǎn)者進程while(TRUE)生產(chǎn)一個產(chǎn)品 ;P(empty);P(mutex1) ；產(chǎn)品送往 buffer ( in )； in=(in+1)mod n

8、 ； V(mutex1);V(full);消費者進程while(TRUE) P(full);P(mutex2) ； 從 buffer ( out )中取出產(chǎn)品； out=(out+1)mod n ； V ( mutex2 )； V(empty);消費該產(chǎn)品 ;需要注意的是無論在生產(chǎn)者進程中還是在消費者進程中，兩個P 操作的次序不能顛倒。應(yīng)先執(zhí)行同步信號量的 P 操作，然后再執(zhí)行互斥信號量的 P 操作，否則可能造成進程死鎖?！纠?2 】 桌上有一空盤，允許存放一只水果。爸爸可向盤中放蘋果，也可向盤中放桔子，兒子專等吃盤中的桔子， 女兒專等吃盤中的蘋果。 規(guī)定當盤空時一次只能放一只水果供吃者取用，

9、請用P、V原語實現(xiàn)爸爸、兒子、女兒三個并發(fā)進程的同步。分析 在本題中，爸爸、兒子、女兒共用一個盤子，盤中一次只能放一個水果。當盤子為空時， 爸爸可將一個水果放入果盤中。 若放入果盤中的是桔子， 則允許兒子吃， 女兒必須等待；若放入果盤中的是蘋果，則允許女兒吃，兒子必須等待。本題實際上是生產(chǎn)者 - 消費者問題的一種變形。這里， 生產(chǎn)者放入緩沖區(qū)的產(chǎn)品有兩類，消費者也有兩類，每類消費者只消費其中固定的一類產(chǎn)品。解 ： 在本題中， 應(yīng)設(shè)置三個信號量S、 So、 Sa， 信號量 S 表示盤子是否為空， 其初值為 l ；信號量 So 表示盤中是否有桔子， 其初值為0； 信號量 Sa 表示盤中是否有蘋果，

10、 其初值為 0 。同步描述如下：int S =1;int Sa = 0;int So = 0; main() cobeginfather(); /* 父親進程 */son(); /* 兒子進程 */daughter(); /* 女兒進程 */ coend father() while(1)P(S);將水果放入盤中 ;if (放入的是桔子) V(So);else V(Sa); son() while(1) P(So);從盤中取出桔子;V(S);吃桔子 ; daughter() while(1) P(Sa); 從盤中取出蘋果;V(S);吃蘋果 ;思考題：四個進程A、B、C、D都要讀一個共享文件 F,系統(tǒng)允許多個進程同時讀文件 F。但限制是 進程A和進程C不能同時讀文件 F,進程B和進程D也不能同時讀文件 F。為了使這四個進 程并發(fā)執(zhí)行時能按系統(tǒng)要求使用文件，現(xiàn)用 PV操作進行管理，請回答下面的問題：(1)應(yīng)定義的信號量及初值： 。(2)在下列的程序中填上適當?shù)?P、V操作，以保證它們能正確并發(fā)工作：A()B()C()D()1；3；5；7；re