PV操作的例题

    一、线程是进程的一个组成部分，一个进程可以有多个线程，而且至少有一个可执行线程。进程的多个线程都在进程的地址空间内活动。
资源是分给进程的，而不是分给线程的，线程需要资源时，系统从进程的资源配额中扣除并分配给它。处理机调度的基本单位是线程，线程之间竞争处理机，真正在处理机上运行的是线程。线程在执行过程中，需要同步。

    二、在计算机操作系统中，PV操作是进程管理中的难点。
首先应弄清PV操作的含义：PV操作由P操作原语和V操作原语组成（原语是不可中断的过程），对信号量进行操作，具体定义如下：
    P（S）：①将信号量S的值减1，即S=S-1；
           ②如果S>=0，则该进程继续执行；否则该进程置为等待状态，排入等待队列。
    V（S）：①将信号量S的值加1，即S=S+1；
           ②如果S>0，则该进程继续执行；否则释放队列中第一个等待信号量的进程。

PV操作的意义：我们用信号量及PV操作来实现进程的同步和互斥。PV操作属于进程的低级通信。

什么是信号量？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。

    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：
    （1）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。
    （2）P、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。
   （3）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：

    （1）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。
    （2）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。
    （3）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。

例题一：过桥问题

   解：设信号量初值S=1
           汽车进程Pi(i=1,2,3,…)
           到达桥头
           P(s)
           桥行驶
           到达桥另一端
           V(s)

例题二

若有一售票厅只能容纳300人，当少于300人时，可以进入。否则，需在外等候，
若将每一个购票者作为一个进程，请用P、V操作编程。

        解：信号量初值S=300
                购票者进程Pi(i=1,2,3,…)
                P(s)
                进入售票厅
                购票
                退出售票厅
                V(s)
                            
例题三

有一只铁笼子，每次只能放入一只动物，猎手向笼中放入老虎，农民向笼中放入猪，动物园等待取笼中的老虎，饭店等待取笼中的猪，试用P、V操作写出能同步执行的程序。

解：两个生产者和两个消费者共享了一个仅能存放一件产品的缓冲器，生产者各自生产不同的产品，消费者各自取自己需要的产品，P、V操作编程为：

猎手进程    农民进程    动物园进程      饭店进程
   P(s)        P(s)        P(s1)          P(s2)
   放入虎     放入猪       买老虎         买猪
   V(s1)       V(s2)       V(s)           V(s)
其中S初值=1，S1=S2=0 

例题四

桌上有一只盘子，每次只能放入一个水果。爸爸专向盘中放苹果，妈妈专向盘中放桔子，女儿专等吃盘中的苹果，儿子专等吃盘中的桔子。用P、V操作写出它们能正确同步的程序。（同例六详解）

解：信号量初值S1=0，S2=0，S=1
 爸爸进程   妈妈进程   女儿进程  儿子进程
  repeat         repeat          repeat          repeat
     P(s)          P(s)          P(s1)           P(s2)
     放苹果      放桔子        取苹果           取桔子
     V(s1)         V(s2)        V(s)             V(s)
  until false    until false  until false  until false

例题五
 设有两个优先级相同的进程P1和P2如下，S1和S2初值均为0，求：P1，P2并发执行结束后，x,y,z分别是多少？
           进程P1                  进程P2
           y:=1;                      x:=1;
           y:=y+2;                  x:=x+1;
           V(s1);                    P(s1);
           z:=y+1;                  x:=x+y;
           P(s2);                     V(s2)
           y:=z+y;                  z:=x+z;

解：因为P1、P2是并发进程，所以P1和P2调度顺序不确定。假设P1先执行，当P1执行到P(s2)时，s2=-1，P1阻塞，此时y=3,z=4;当调度程序调度到P2时，由于进程P1巳执行到了V(s1),P2在执行P(s1)时，不阻塞而继续执行，当执行到V(s2)时，将P1唤醒，然后执行到最后一个语句，此时x=5,z=9;当P1再次被唤醒、调度时，继续执行P1的最后一处语句，此时y=12.所以最后结果是：x=5,y=12,z=9.如果P2先执行，结果同上

【例题五】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。

【例题六】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();     
            son();       
            daughter();   
        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)

习题1:有三个并发进程使用同一个缓冲区,进程P1负责读数据到缓冲区,P2负责加工缓冲区中的数据,进程P3负责将缓冲区中加工后的数据输出.在进程P3没有输完之前,进程P1不能读入新的数据到缓冲区中.请用P、V操作编程.

解：信号量初值：S1=0，S2=0，S3=0

           进程P1         进程P2        进程P3
           读数据到        P(S1)           P(S2)
            缓冲区            加工           输出
            V(S1)             V(S2)           V(S3)
            P(S3)

习题2：设有六个进程P1、P2、P3、P4、P5、P6，它们并发执行。由P1开始执行，P6执行后结束。当进程P1执行后，进程P2、P3才能执行；当进程P2执行后，进程P4才能执行；当进程P3执行后，进程P5才能执行；当进程P4、P5都执行后，进程P6才能执行；请用P、V操作编程.
解：这是一个同步问题，信号量初值：S2=0，S3=0，S4=0，S5=0，S6=0

           进程P1         进程P2          进程P3
           执行P1           P(S2)            P(S3)
            V(S2)            执行P2         执行P3
            V(S3)             V(S4)           V(S5)

           进程P4         进程P5          进程P6
           P(S4)            P(S5)             P(S6)
           执行P4         执行P5          P(S6)
            V(S6)           V(S6)           执行P6