PV操作、信号量、同步与互斥

1．信号量的类型定义
信号量（semaphore）的数据结构为一个值和一个指针，指针指向等待该信号量的下一个进程。信号量的值与相应资源的使用情况有关。当它的值大于0时，表示当前可用资源的数量；当它的值小于0时，其绝对值表示等待使用该资源的进程个数。注意，信号量的值仅能由PV操作来改变。
一般来说，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单位资源，因此S的值减1；当S<0时，表示已经没有可用资源，请求者必须等待别的进程释放该类资源，它才能运行下去。而执行一个V操作意味着释放一个单位资源，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。

2．PV原语
PV操作是典型的同步机制之一。用一个信号量与一个消 息联系起来，当信 号量的值为0时，表示期 望的消息尚未产生；当信号 量的值非0时，表示期望的消息已经存在。用P V操作实现进程同步时，调用P操作测试消息是否到达，调用V操作发送消息。
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。

3、同步和互斥的概念
互斥：是指某一资源同时只允许一个访问者对其进行访问，具有唯一性和排它性。但互斥无法限制访问者对资源的访问顺序，即访问是无序的。
同步：是指在互斥的基础上（大多数情况），通过其它机制实现访问者对资源的有序访问，更强调进程间的协作，如同生产者消费者问题。

4、利用信号量和PV原语进行同步和互斥
利用信号量和PV操作实现进程互斥的一般模型是：
进程P1 进程P2 …… 进程Pn
……　 ……　 ……
P（S）；　 P（S）；　 P（S）；
临界区；　 临界区；　 临界区；
V（S）；　 V（S）；　 V（S）；
……　 ……　 …… ……
其中信号量S用于互斥，初值为1。
使用PV操作实现进程互斥时应该注意的是：
⑴每个程序中用户实现互斥的P、V操作必须成对出现，先做P操作，进临界区，后做V操作，出临界区。若有多个分支，要认真检查其成对性。
⑵P、V操作应分别紧靠临界区的头尾部，临界区的代码应尽可能短，不能有死循环。
⑶互斥信号量的初值一般为1。

利用信号量和PV操作实现进程同步：
PV操作是典型的同步机制之一。用一个信号量与一个消息联系起来，当信号量的值为0时，表示期望的消息尚未产生；当信号量的值非0时，表示期望的消息已经存在。用PV操作实现进程同步时，调用P操作测试消息是否到达，调用V操作发送消息。
使用PV操作实现进程同步时应该注意的是：
⑴分析进程间的制约关系，确定信号量种类。在保持进程间有正确的同步关系情况下，哪个进程先执行，哪些进程后执行，彼此间通过什么资源（信号量）进行协调，从而明确要设置哪些信号量。
⑵信号量的初值与相应资源的数量有关，也与P、V操作在程序代码中出现的位置有关。
⑶同一信号量的P、V操作要成对出现，但它们分别在不同的进程代码中。

5、典型理解偏差
三个问题：
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？
二，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？
三，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？
析疑：
一，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，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，有两个某类资源，四个进程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。
为了进一步加深理解，再引入二个问题：
四，如果是互斥信号量的话，应该设置信号量Sem=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？
五，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？
析疑：
四，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，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。

6、应用题
【例1】生产者-消费者问题
在多道程序环境下，进程同步是一个十分重要又令人感兴趣的问题，而生产者-消费者问题是其中一个有代表性的进程同步问题。下面我们给出了各种情况下的生产者-消费者问题，深入地分析和透彻地理解这个例子，对于全面解决操作系统内的同步、互斥问题将有很大帮助。

（1）一个生产者，一个消费者，公用一个缓冲区。
定义两个同步信号量：
empty——表示缓冲区是否为空，初值为1。
   full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。
生产者进程
while(TRUE){
生产一个产品;
     P(empty);
     产品送往Buffer;
     V(full);
}
消费者进程
while(True){
P(full);
   从Buffer取出一个产品;
   V(empty);
   消费该产品;
   }
（2）一个生产者，一个消费者，公用n个环形缓冲区。
定义两个同步信号量：
empty——表示缓冲区是否为空，初值为n。
full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。




    设缓冲区的编号为1～n-1，定义两个指针in和out，分别是生产者进程和消费者进程使用的指
，指向下一个可用的缓冲区。
生产者进程
while(TRUE){
     生产一个产品;
     P(empty);
     产品送往buffer（in）；
     in=(in+1)mod n；
     V(full);
}




消费者进程
while(TRUE){
 P(full);
   从buffer（out）中取出产品；
   out=(out+1)mod n；
   V(empty);
   消费该产品;
   }
（3）一组生产者，一组消费者，公用n个环形缓冲区
    在这个问题中，不仅生产者与消费者之间要同步，而且各个生产者之间、各个消费者之间还必须互斥地访问缓冲区。
定义四个信号量：
empty——表示缓冲区是否为空，初值为n。
full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。
mutex1——生产者之间的互斥信号量，初值为1。
mutex2——消费者之间的互斥信号量，初值为1。




    设缓冲区的编号为1～n-1，定义两个指针in和out，分别是生产者进程和消费者进程使用的指针，指向下一个可用的缓冲区。
生产者进程
while(TRUE){
     生产一个产品;
     P(empty);
     P(mutex1)；
     产品送往buffer（in）；
     in=(in+1)mod n；
     V(mutex1);
     V(full);
}
消费者进程
while(TRUE){
 P(full)
   P(mutex2)；
   从buffer（out）中取出产品；
   out=(out+1)mod n；
   V（mutex2）；
   V(empty);
   消费该产品;
   }
  需要注意的是无论在生产者进程中还是在消费者进程中，两个P操作的次序不能颠倒。应先执行同步信号量的P操作，然后再执行互斥信号量的P操作，否则可能造成进程死锁。


【例2】桌上有一空盘，允许存放一只水果。爸爸可向盘中放苹果，也可向盘中放桔子，儿子专等吃盘中的桔子，女儿专等吃盘中的苹果。规定当盘空时一次只能放一只水果供吃者取用，请用P、V原语实现爸爸、儿子、女儿三个并发进程的同步。


分析 在本题中，爸爸、儿子、女儿共用一个盘子，盘中一次只能放一个水果。当盘子为空时，爸爸可将一个水果放入果盘中。若放入果盘中的是桔子，则允许儿子吃，女儿必须等待；若放入果盘中的是苹果，则允许女儿吃，儿子必须等待。本题实际上是生产者-消费者问题的一种变形。这里，生产者放入缓冲区的产品有两类，消费者也有两类，每类消费者只消费其中固定的一类产品。

    解：在本题中，应设置三个信号量S、So、Sa，信号量S表示盘子是否为空，其初值为l；信号量So表示盘中是否有桔子，其初值为0；信号量Sa表示盘中是否有苹果，其初值为0。同步描述如下：
int S＝1;
int Sa＝0;
int So＝0;
      main()
      {
        cobegin
            father();      /*父亲进程*/
            son();        /*儿子进程*/
            daughter();    /*女儿进程*/
        coend
    ｝
    father()
    {
        while(1)
          {
            P(S);
            将水果放入盘中;
            if（放入的是桔子）V(So);
            else  V(Sa);
           }
     }
    son()
    {
        while(1)
          {
             P(So);
             从盘中取出桔子;
             V(S);
             吃桔子;
            ｝
    }
    daughter()
    {
         while(1)
            {
              P(Sa);
              从盘中取出苹果;
              V(S);
              吃苹果;
            ｝
｝
 
思考题：
四个进程A、B、C、D都要读一个共享文件F，系统允许多个进程同时读文件F。但限制是进程A和进程C不能同时读文件F，进程B和进程D也不能同时读文件F。为了使这四个进程并发执行时能按系统要求使用文件，现用PV操作进行管理，请回答下面的问题：
    （1）应定义的信号量及初值：                    。
    （2）在下列的程序中填上适当的P、V操作，以保证它们能正确并发工作：
     A()                B()                  C()                 D()
      {                 {                    {                  {
      [1];                [3];                  [5];                 [7];
      read F;             read F;                read F;              read F;
     [2];                [4];                  [6];                 [8];
      }                  }                    }                  } 


    思考题解答：
（1）定义二个信号量S1、S2，初值均为1，即：S1=1，S2=1。其中进程A和C使用信号量S1，进程B和D使用信号量S2。
（2）从[1]到[8]分别为：P(S1) V(S1) P(S2) V(S2) P(S1) V(S1) P(S2) V(S2)