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