PV原语操作详解
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。
semaphore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。
P原语操作的动作是：
(1)sem减1；
(2)若sem减1后仍大于或等于零，则进程继续执行；
(3)若sem减1后小于零，则该进程被阻塞后进入与该信号相对应的队列中，然后转进程调度。
V原语操作的动作是：
(1)sem加1；
(2)若相加结果大于零，则进程继续执行；
(3)若相加结果小于或等于零，则从该信号的等待队列中唤醒一等待进程，然后再返回原进程继续执行或转进程调度。
PV操作对于每一个进程来说，都只能进行一次，而且必须成对使用。在PV原语执行期间不允许有中断的发生。
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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;
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举例说明：
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操作使这两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；
}
}
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另附用PV原语解决进程同步与互斥问题的例子:
例3：两个进程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);
}
}
例4：《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);
}
例
5：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);
}
}
例6：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);
}
再附上几个例子：
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用PV原语实现进程的互斥
由于用于互斥的信号量sem与所有的并发进程有关，所以称之为公有信号量。公有信号量的值反映了公有资源的数量。只要把临界区置于P(sem)和V(sem)之间，即可实现进程间的互斥。就象火车中的每节车厢只有一个卫生间，该车厢的所有旅客共享这个公有资源：卫生间，所以旅客间必须互斥进入卫生间，只要把卫生间放在P(sem)和V(sem)之间，就可以到达互斥的效果。以下例子说明进程的互斥实现。
例1：
生产围棋的工人不小心把相等数量的黑子和白子混装载一个箱子里，现要用自动分拣系统把黑子和白子分开，该系统由两个并发执行的进程组成，功能如下：
(1)进程A专门拣黑子，进程B专门拣白子；
(2)每个进程每次只拣一个子，当一个进程在拣子时不允许另一个进程去拣子；
分析：
第一步：确定进程间的关系。由功能(2)可知进程之间是互斥的关系。
第二步：确定信号量及其值。由于进程A和进程B要互斥进入箱子去拣棋子，箱子是两个进程的公有资源，所以设置一个信号量s，其值取决于公有资源的数目，由于箱子只有一个，s的初值就设为1。
实现：
begin
s:semaphore;
s:=1;
cobegin
process A
begin
L1: P(s);
拣黑子;
V(s);
goto L1;
end;
process B
begin
L2:P(s);
拣白子；
V(s);
goto L2;
end;
coend;
end;
判断进程间是否互斥，关键是看进程间是否共享某一公有资源，一个公有资源与一个信号量相对应。确定信号量的值是一个关键点，它代表了可用资源实体数。如下实例：
例2：
某车站售票厅，任何时刻最多可容纳20名购票者进入，当售票厅中少于20名购票者时，厅外的购票者可立即进入，否则需要在外面等待。每个购票者可看成一个进程。
分析：第一步：确定进程间的关系。售票厅是各进程共享的公有资源，当售票厅中多于20名购票者时，厅外的购票者需要在外面等待。所以进程间是互斥的关系。第二步：确定信号量及其值。只有一个公有资源：售票厅，所以设置一个信号量s。售票厅最多容纳20个进程，即可用资源实体数为20，s的初值就设为20。
实现：
begin
s:semaphore;
s:=20;
cobegin
process PI(I=1,2,……)
begin P(s);
进入售票厅;
购票;
退出;
V(s);
end;
coend;
end;
当购票者进入售票厅前要执行P(s)操作，执行后若s大于或等于零，说明售票厅的人数还未满可进入。执行后若s小于零，则说明售票厅的人数已满不能进入。这个实现中同时最多允许20个进程进入售票厅购票，其余进程只能等待。
用PV原语实现进程的同步
与进程互斥不同，进程同步时的信号量只与制约进程及被制约进程有关而不是与整组并发进程有关，所以称该信号量为私有信号量。利用PV原语实现进程同步的方法是：首先判断进程间的关系为同步的，且为各并发进程设置私有信号量，然后为私有信号量赋初值，最后利用PV原语和私有信号量规定各进程的执行顺序。下面我们将例1增添一个条件，使其成为进程间是同步的。
例3：
在例1的基础之上再添加一个功能：
(3)当一个进程拣了一个棋子（黑子或白子）以后，必让另一个进程拣一个棋子（黑子或白子）。
分析：
第一步：确定进程间的关系。由功能（1）（2）（3）可知，进程间的关系为同步关系。第二步：确定信号量及其值。进程A和B共享箱子这个公有资源，但规定两个进程必须轮流去取不同色的棋子，因而相互间要互通消息。对于进程A可设置一个私有信号量s1，该私有信号量用于判断进程A是否能去拣黑子，初值为1。对于进程B同样设置一个私有信号量s2，该私有信号量用于判断进程B是否能去拣白子，初值为0。当然你也可以设置s1初值为0，s2初值为1。
实现:
begin
s1,s2:semaphore;
s1:=1;s2:=0;
cobegin
process A
begin
L1: P(s1);
拣黑子;
V(s2);
goto L1;
end;
process B
begin
L2:P(s2);
拣白子;
V(s1);
goto L2;
end;
coend;
end;
另外一个问题就是P原语是不是一定在V原语的前面？回答是否定的。下面看一个例子：
例4：
设在公共汽车上，司机和售票员的活动分别是：司机：启动车辆，正常行车，到站停车。售票员：上乘客，关车门，售票，开车门，下乘客。用PV操作对其控制。
分析：
第一步：确定进程间的关系。司机到站停车后，售票员方可工作。同样，售票员关车门后，司机才能工作。所以司机与售票员之间是一种同步关系。
第二步：确定信号量及其值。由于司机与售票员之间要互通消息，司机进程设置一个私有信号量run，用于判断司机能否进行工作，初值为0。售票员进程设置一个私有信号量stop，用于判断是否停车，售票员是否能够开车门，初值为0。
实现：
begin
stop ,run:semaphore
stop:=0;run:=0;
cobegin
driver:
begin
L1: P(run);
启动车辆；
正常行车；
到站停车；
V(stop);
goto L1;
end;
conductor:
begin
L2:上乘客；
关车门；
V(run);
售票；
P(stop);
开车门；
下乘客；
goto L2;
end;
coend;
end;
用PV操作还可以实现进程同步与互斥的混合问题，典型的如：多个生产者和多个消费者共享容量为n的缓存区。这个例子在很多书中都有介绍，在这里就不说了。