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进程的PV操作详解进程的PV操作详解
进程的PV操作
在操作系统中,P、V操作是进程管理中的难点。这是1968年荷兰人Dijkstra给出的一种解决并发进程间互斥和同步关系的通用方法。
1. P、V操作的意义
定义了信号量及其上的P操作和V操作,来实现并发进程间的同步和互斥,甚至可以用来管理资源的分配。P、V操作因交换的信息量少,属于进程的低级通信。
2. 什么是信号量?
信号量(semaphore)是由一个值和一个指针构成的数据结构。值为整型变量,表示信息量的值;指针指向进程控制块(PCB)队列的队头,表示等待该信号量的下一个进程。如下图所示。
信号量的一般结构及PCB队列
(1;
② 如果S(0,则该进程继续执行;否则该进程状态置为阻塞状态,进程PCB排入信号量PCB队列末尾,放弃CPU,等待V操作的执行。
V(S):
① 将信号量S的值加1,即S=S+1;
② 如果S(0,释放信号量队列中第一个PCB所对应的进程,将进程状态由阻塞态改为就绪态。执行V操作的进程继续执行。
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S0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,因此要唤醒一个阻塞状态的进程,使之成为就绪状态。
4. 利用信号量和P、V操作实现进程互斥
一般地,n个进程利用信号量和P、V操作实现进程互斥的一般模型如下:
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S是互斥信号量,初值为1。
使用P、V操作实现进程互斥时应该注意的问题是:
(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P、V操作的成对性。
(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。
5. 利用信号量和P、V操作实现进程同步
P、V操作是典型的进程同步机制之一。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;当信号量的值为非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操作来发送消息。
使用P、V操作实现进程同步时应该注意的问题是:
(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,哪个进程应先执行,哪些进程后执行,彼此间通过什么信号量进行协调,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。
6. P、V操作举例
【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(Buffer)。
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);
}
(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
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