操作系统

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。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。

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 ；

下面用几个例子来具体说明：

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 操作使这四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；

}
}

另附用 PV 原语解决进程同步与互斥问题的例子 :

经典 IPC 问题如：生产者－消费者，读者－写者，哲学家就餐，睡着的理发师等可参考相关教材。

一、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

PB

Q1

Q2

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);

}
}

二、《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);

}

三、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
(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);

}
}

四：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);

}

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