PV操作和訊號量

1．訊號量的型別定義

訊號量（semaphore）的資料結構為乙個值和乙個指標，指標指向等待該訊號量的下乙個程序。訊號量的值與相應資源的使用情況有關。當它的值大於0時，表示當前可用資源的數量；當它的值小於0時，其絕對值表示等待使用該資源的程序個數。注意，訊號量的值僅能由pv操作來改變。

一般來說，訊號量s>=0時，s表示可用資源的數量。執行一次p操作意味著請求分配乙個單位資源，因此s的值減1；當s<0時，表示已經沒有可用資源，請求者必須等待別的程序釋放該類資源，它才能執行下去。而執行乙個v操作意味著釋放乙個單位資源，因此s的值加1；若s<0，表示有某些程序正在等待該資源，因此要喚醒乙個等待狀態的程序，使之執行下去。

2．pv原語

pv操作是典型的同步機制之一。用乙個訊號量與乙個消息聯絡起來，當信號量的值為0時，表示期望的訊息尚未產生；當訊號量的值非0時，表示期望的訊息已經存在。用p v操作實現程序同步時，呼叫p操作測試訊息是否到達，呼叫v操作傳送訊息。

對乙個訊號量變數可以進行兩種原語操作：p操作和v操作，定義如下：procedure p(var s:samephore);

procedure v(var s:samephore);

其中用到兩個標準過程：

asleep(s.queue）；執行此操作的程序的pcb進入s.queue尾部，程序變成等待狀態

wakeup(s.queue）；將s.queue頭程序喚醒插入就緒佇列

s.value初值為1時，可以用來實現程序的互斥。

3、同步和互斥的概念

互斥：是指某一資源同時只允許乙個訪問者對其進行訪問，具有唯一性和排它性。但互斥無法限制訪問者對資源的訪問順序，即訪問是無序的。

同步：是指在互斥的基礎上（大多數情況），通過其它機制實現訪問者對資源的有序訪問，更強調程序間的協作，如同生產者消費者問題。

4、利用訊號量和pv原語進行同步和互斥

利用訊號量和pv操作實現程序互斥的一般模型是：

程序p1 程序p2 …… 程序pn

……　 ……　 ……

p（s）；　 p（s）；　 p（s）；

臨界區；　臨界區；　臨界區；

v（s）；　 v（s）；　 v（s）；

……　 ……　 …… ……

其中訊號量s用於互斥，初值為1。

使用pv操作實現程序互斥時應該注意的是：

⑴每個程式中使用者實現互斥的p、v操作必須成對出現，先做p操作，進臨界區，後做v操作，出臨界區。若有多個分支，要認真檢查其成對性。

⑵p、v操作應分別緊靠臨界區的頭尾部，臨界區的**應盡可能短，不能有死迴圈。

⑶互斥訊號量的初值一般為1。

利用訊號量和pv操作實現程序同步：

pv操作是典型的同步機制之一。用乙個訊號量與乙個訊息聯絡起來，當訊號量的值為0時，表示期望的訊息尚未產生；當訊號量的值非0時，表示期望的訊息已經存在。用pv操作實現程序同步時，呼叫p操作測試訊息是否到達，呼叫v操作傳送訊息。

使用pv操作實現程序同步時應該注意的是：

⑴分析程序間的制約關係，確定訊號量種類。在保持程序間有正確的同步關係情況下，哪個程序先執行，哪些程序後執行，彼此間通過什麼資源（訊號量）進行協調，從而明確要設定哪些訊號量。

⑵訊號量的初值與相應資源的數量有關，也與p、v操作在程式**中出現的位置有關。

⑶同一訊號量的p、v操作要成對出現，但它們分別在不同的程序**中。

5、典型理解偏差

三個問題：

一，以v原語的1、2步來做，sem不就永遠大於0，那程序不就一直迴圈執行成為死迴圈了？

二，sem大於0那就表示有臨界資源可供使用，為什麼不喚醒程序？

三，sem小於0應該是說沒有臨界資源可供使用，為什麼還要喚醒程序？

析疑：一，p操作對sem減1的。p、v原語必須成對使用！從而不會造成死迴圈。

二，sem大於0的確表示有臨界資源可供使用，而且這個時候沒有程序被阻塞在這個資源上，也就是說沒有程序因為得不到這類資源而阻塞，所以沒有被阻塞的程序，自然不需要喚醒。

三，v原語操作的本質在於：乙個程序使用完臨界資源後，釋放臨界資源，使sem加1，以通知其它的程序，這個時候如果sem<0，表明有程序阻塞在該類資源上，因此要從阻塞佇列裡喚醒乙個程序來「轉手」該類資源。比如，有兩個某類資源，四個程序a、b、c、d要用該類資源，最開始sem=2，當a進入，sem=1，當b進入sem=0，表明該類資源剛好用完，當c進入時sem=-1，表明有乙個程序被阻塞了，d進入，sem=-2。當a用完該類資源時，進行v操作，sem=-1，釋放該類資源，而這時sem<0，表明有程序阻塞在該類資源上，於是喚醒乙個。

為了進一步加深理解，再引入二個問題：

四，如果是互斥訊號量的話，應該設定訊號量sem=1，但是當有5個程序都訪問的話，最後在該訊號量的煉表裡會有4個在等待，也是說s=-4，那麼第乙個程序執行了v操作使s加1，釋放了資源，下乙個應該能夠執行，但喚醒的這個程序在執行p操作時因s〈0，也還是執行不了，這是怎麼回事呢？

五，sem的絕對值表示等待的程序數，同時又表示臨界資源，這到底是怎麼回事？

析疑：四，當乙個程序阻塞了的時候，它已經執行過了p操作，並卡在臨界區那個地方。當喚醒它時就立即進入它自己的臨界區，並不需要執行p操作了，當執行完了臨界區的程式後，就執行v操作。

五，當訊號量sem小於0時，其絕對值表示系統中因請求該類資源而被阻塞的程序數目.s大於0時表示可用的臨界資源數。注意在不同情況下所表達的含義不一樣。當等於0時，表示剛好用完。

6、應用題

【例1】生產者-消費者問題

在多道程式環境下，程序同步是乙個十分重要又令人感興趣的問題，而生產者-消費者問題是其中乙個有代表性的程序同步問題。下面我們給出了各種情況下的生產者-消費者問題，深入地分析和透徹地理解這個例子，對於全面解決作業系統內的同步、互斥問題將有很大幫助。

（1）乙個生產者，乙個消費者，公用乙個緩衝區。

定義兩個同步訊號量：

empty——表示緩衝區是否為空，初值為1。

full——表示緩衝區中是否為滿，初值為0。

生產者程序

while(true)

消費者程序

while(true)

（2）乙個生產者，乙個消費者，公用n個環形緩衝區。

定義兩個同步訊號量：

empty——表示緩衝區是否為空，初值為n。

full——表示緩衝區中是否為滿，初值為0。

設緩衝區的編號為1～n-1，定義兩個指標in和out，分別是生產者程序和消費者程序使用的指

，指向下乙個可用的緩衝區。

生產者程序

while(true)

消費者程序

while(true)

（3）一組生產者，一組消費者，公用n個環形緩衝區

在這個問題中，不僅生產者與消費者之間要同步，而且各個生產者之間、各個消費者之間還必須互斥地訪問緩衝區。

定義四個訊號量：

empty——表示緩衝區是否為空，初值為n。

full——表示緩衝區中是否為滿，初值為0。

mutex1——生產者之間的互斥訊號量，初值為1。

mutex2——消費者之間的互斥訊號量，初值為1。

設緩衝區的編號為1～n-1，定義兩個指標in和out，分別是生產者程序和消費者程序使用的指標，指向下乙個可用的緩衝區。

生產者程序

while(true)

消費者程序

while(true)

需要注意的是無論在生產者程序中還是在消費者程序中，兩個p操作的次序不能顛倒。應先執行同步訊號量的p操作，然後再執行互斥訊號量的p操作，否則可能造成程序死鎖。

【例2】桌上有一空盤，允許存放乙隻水果。爸爸可向盤中放蘋果，也可向盤中放桔子，兒子專等吃盤中的桔子，女兒專等吃盤中的蘋果。規定當盤空時一次只能放乙隻水果供吃者取用，請用p、v原語實現爸爸、兒子、女兒三個併發程序的同步。

分析在本題中，爸爸、兒子、女兒共用乙個盤子，盤中一次只能放乙個水果。當盤子為空時，爸爸可將乙個水果放入果盤中。若放入果盤中的是桔子，則允許兒子吃，女兒必須等待；若放入果盤中的是蘋果，則允許女兒吃，兒子必須等待。本題實際上是生產者-消費者問題的一種變形。這裡，生產者放入緩衝區的產品有兩類，消費者也有兩類，每類消費者只消費其中固定的一類產品。

解：在本題中，應設定三個訊號量s、so、sa，訊號量s表示盤子是否為空，其初值為l；訊號量so表示盤中是否有桔子，其初值為0；訊號量sa表示盤中是否有蘋果，其初值為0。同步描述如下：

int s＝1;

int sa＝0;

int so＝0;

main()

}son()

daughter()

} } }

思考題解答：

（1）定義二個訊號量s1、s2，初值均為1，即：s1=1，s2=1。其中程序a和c使用訊號量s1，程序b和d使用訊號量s2。

（2）從[1]到[8]分別為：p(s1) v(s1) p(s2) v(s2) p(s1) v(s1) p(s2) v(s2)

PV操作和訊號量

PV操作和訊號量

訊號量，PV操作

訊號量同步 P V 操作

PV操作和訊號量

PV操作和訊號量

訊號量，PV操作

訊號量同步 P V 操作

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