ＯＳ－ＰＶ

    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， 包括一个称为信号量的变量及对它进行的两个原语操作。

    一. 信号量的概念
    1．每个信号量至少须记录两个信息：信号量的值和等待该信号量的进程队列。它的类型定义如下：（用类PASCAL语言表述）
        semaphore = record
             value: integer;
             queue: ^PCB;
        end;
      其中PCB是进程控制块，是操作系统为每个进程建立的数据结构。
      s.value>=0时，s.queue为空； s.value<0时，s.value的绝对值为s.queue中等待进程的个数；s.value>0时表示临界资源数；

    2．PV原语
    对一个信号量变量可以进行两种原语操作：p操作和v操作，定义如下： 
 procedure p(var s:samephore);
        {
           s.value=s.value-1;
           if (s.value<0) asleep(s.queue);
        }
       procedure v(var s:samephore);
        {
           s.value=s.value+1;
           if (s.value<=0) wakeup(s.queue);
        }

     其中用到两个标准过程：
      asleep(s.queue);执行此操作的进程的PCB进入s.queue尾部，进程变成等待状态                          
      wakeup(s.queue);将s.queue头进程唤醒插入就绪队列
      s.value初值为1时，可以用来实现进程的互斥。

    P原语的主要操作是：
    （1）sem减1；
    （2）若结果大于等于零，则进程继续执行；
    （3）若结果小于零，则令进程变为等待状态，进入队列。

    V原语的主要操作是：
    （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，则唤醒一阻塞在该信号量上的进程，然后再返回原进程继续执行或转进程调度。

    p操作和v操作是不可中断的程序段，因此称原语。如果将信号量看作共享变量，则pv操作为其临界区，多个进程不能同时执行，一般用硬件方法保证。
    一个信号量只能置一次初值，以后只能对之进行p操作或v操作。由此也可以看到，信号量机制必须有公共内存，不能用于分布式操作系统，这是它最大的弱点。
 
    析疑：
    一，以V原语的1、2步来做，Sem不就永远大于0，那进程不就一直循环执行成为死循环了？
 ［Ａｎｓ］P操作对sem减1的。P、V原语必须成对使用！从而不会造成死循环。

    二，V原语中Sem大于0那就表示有临界资源可供使用，为什么不唤醒进程？
 ［Ａｎｓ］Sem大于0的确表示有临界资源可供使用，而且这个时候没有进程被阻塞在这个资源上，也就是说没有进程因为得不到这类资源而阻塞，所以没有被阻塞的进程，自然不需要唤醒。
 
    三，V原语中Sem小于0应该是说没有临界资源可供使用，为什么还要唤醒进程？
 ［Ａｎｓ］V原语操作的本质在于：一个进程使用完临界资源后，释放临界资源，使Sem加1，以通知其它的进程，这个时候如果Sem<0，表明有进程阻塞在该类资源上，因此要从阻塞队列里唤醒一个进程来“转手”该类资源。 比如，有2个某类资源，三个进程A、B、C、D要用该类资源，最开始Sem=2，当A进入，Sem=1，当B进入Sem=0,表明该类资源刚好用完， 当C进入时Sem=-1,表明有一个进程被阻塞了，D进入，Sem=-2。当A用完该类资源时，进行V操作，Sem=-1，释放该类资源，而这时Sem<0,表明有进程阻塞在该类资源上，于是唤醒一个。

　　四，V原语中如果是互斥信号量的话，应该设置信号量Sen=1，但是当有5个进程都访问的话，最后在该信号量的链表里会有4个在等待，也是说S=-4，那么第一个进程执行了V操作使S加1，释放了资源，下一个应该能够执行，但唤醒的这个进程在执行P操作时因S〈0 ,也还是执行不了,这是怎么回事呢？
 ［Ａｎｓ］当一个进程阻塞了的时候，它已经执行过了P操作，并卡在临界区那个地方。当唤醒它时就立即进入它自己的临界区，并不需要执行P操作了，当执行完了临界区的程序后，就执行V操作。

　　五，V原语中，Sem的绝对值表示等待的进程数，同时又表示临界资源，这到底是怎么回事？
 ［Ａｎｓ］当信号量Sem小于0时,其绝对值表示系统中因请求该类资源而被阻塞的进程数目.S大于0时表示可用的临界资源数。注意在不同情况下所表达的含义不一样。当等于0时，表示刚好用完。 

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。

　　

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）。
　　

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。

例某车站售票厅，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
        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。
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。