PV操作由P操作原语和V操作原语组成,三种状态在

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操作系统基本原理,

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操作系统用于管理系统的硬件、软件和数据资源,控制程序的运行,是应用软件与硬件之间的接口,也是人机之间的接口。操作系统的职能包括进程管理、存储管理、文件管理、设备管理、作业管理等。

 

在进程管理中,PV操作在处理进程的同步与互斥问题方面非常重要,当多个进程需要同时访问共享资源时会用到。PV是用荷兰语表示的简写,P表示通过,V表示释放,据说这是计算机领域为数不多的非英语简写。

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PV操作由P操作原语和V操作原语组成,原语也叫原子操作,表示不可中断的过程,这两个原语要操作信号量S。

P操作将S的值减1,如果S<0,则将该进程置为等待状态并加入进程队列中,否则继续执行。

V操作将S的值加1,如果S<=0则唤醒等待队列中的第一个进程,否则继续执行。

接下来使用单缓存区生产者、消费者问题来描述PV操作的运用,由于只有一个单缓存区,生产速度过快会使缓存区溢出,而消费速度过快会从缓存区拿到空值,如图所示,在加入PV操作后就能解决这些问题

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有生产者、消费者两个进程,使用两个PV操作,S1的初值为1,S2的初值为0。生产者第一次执行,S1=0,送产品到缓存区,S2=1;第二次执行时S1=-1,生产者进程转为等待状态并加入进程队列。对于消费者进程,第一次执行过程中S2=0,从缓存区取产品,S1=0,消费产品,由于S1=0,生产者进程便被唤醒了,此时正好缓存区的产品被消费完。同理,如果消费者进程先执行,也照样能保证两个进程的配合无间。

PV操作便是通过这样的过程来协调几个需要同步的进程的。

 

 

操作系统用于管理系统的硬件、软件和数据资源,控制程序的运行,是应用软件与硬件之间的接口,也是人机之间的接...

无论是计算机考研、计算机软件水平考试、计算机操作系统期末考试还是其他计算机岗位考试,P、V原语操作都是一个常考点。下面笔者总结了关于P、V操作的一些知识。

进程的三种状态

进程通常分为就绪、运行和阻塞三个工作状态。三种状态在某些条件下可以转换,三者之间的转换关系如下:

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三态模型.jpeg

进程三个状态之间的转换就是靠PV操作来控制的。PV操作主要就是P操作、V操作和信号量。其中信号量起到了至关重要的作用。

 

信号量是最早出现的用来解决进程同步与互斥问题的机制(也可实现进程通信),包括一个称为信号量的变量及对它进行的两个原语操作。信号量为一个整数,我们设这个信号量为:sem。很显然,我们规定在sem大于等于零的时候代表可供并发进程使用的资源实体数,sem小于零的时候,表示正在等待使用临界区的进程的个数。根据这个原则,在给信号量附初值的时候,我们显然就要设初值大于零。

信号量

信号量是最早出现的用来解决进程同1步与互斥问题的机制。 
信号量(Semaphore)由一个值和一个指针组成,指针指向等待该信号量的进程。信号量的值表示相应资源的使用情况。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资源,因此S的值减1;当S<0时,表示已经没有可用资源,S的绝对值表示当前等待该资源的进程数。请求者必须等待其他进程释放该类资源,才能继续运行。
执行一次V操作意味着释放一个资源,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。
注意:信号量的值只能由PV操作来改变。

操作系统用于管理系统的硬件、软件和数据资源,控制程序的运行,是应用软件与硬件之间的接口,也是人机之间的接口。操作系统的职能包括进程管理、存储管理、文件管理、设备管理、作业管理等。

p操作和v操作是不可中断的程序段,称为原语。P,V原语中P是荷兰语的Passeren,相当于英文的pass, V是荷兰语的Verhoog,相当于英文中的incremnet。

临界区与临界资源

临界区:阻止多个进程同时进入访问这些共享资源的代码段;
临界资源:一次只允许一个进程访问的资源;
代码如下:
P(信号量)
临界区
V(信号量)
注:由于只允许一个进程进入,因此信号量S的初值应为1.

 

且在P,V原语执行期间不允许有中断的发生。

相关小结

1,S大于0那就表示有临界资源可供使用,为什么不唤醒进程?
S大于0的确表示有临界资源可供使用,也就是说这个时候没有进程被阻塞在这个资源上,所以不需要唤醒。
2,S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?
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S加1,以通知其它的进程,这个时候如果S<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S=2,当A进入,S=1,当B进入S=0,表明该类资源刚好用完, 当C进入时S=-1,表明有一个进程被阻塞了,D进入,S=-2。当A用完该类资源时,进行V操作,S=-1,释放该类资源,因为S<0,表明有进程阻塞在该类资源上,于是唤醒一个。
3,如果是互斥信号量的话,应该设置信号量S=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?
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。
4,S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?
当信号量S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。

在进程管理中,PV操作在处理进程的同步与互斥问题方面非常重要,当多个进程需要同时访问共享资源时会用到。PV是用荷兰语表示的简写,P表示通过,V表示释放,据说这是计算机领域为数不多的非英语简写。

对于具体的实现,方法非常多,可以用硬件实现,也可以用软件实现。这种信号量机制必须有公共内存,不能用于分布式操作系统,这是它最大的弱点。

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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:

 

 

PV操作由P操作原语和V操作原语组成,原语也叫原子操作,表示不可中断的过程,这两个原语要操作信号量S。

             P(S):①将信号量S的值减1,即S=S-1;

P操作将S的值减1,如果S<0,则将该进程置为等待状态并加入进程队列中,否则继续执行。

                    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操作将S的值加1,如果S<=0则唤醒等待队列中的第一个进程,否则继续执行。

             V(S):①将信号量S的值加1,即S=S+1;

接下来使用单缓存区生产者、消费者问题来描述PV操作的运用,由于只有一个单缓存区,生产速度过快会使缓存区溢出,而消费速度过快会从缓存区拿到空值,如图所示,在加入PV操作后就能解决这些问题

                    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。

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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。

有生产者、消费者两个进程,使用两个PV操作,S1的初值为1,S2的初值为0。生产者第一次执行,S1=0,送产品到缓存区,S2=1;第二次执行时S1=-1,生产者进程转为等待状态并加入进程队列。对于消费者进程,第一次执行过程中S2=0,从缓存区取产品,S1=0,消费产品,由于S1=0,生产者进程便被唤醒了,此时正好缓存区的产品被消费完。同理,如果消费者进程先执行,也照样能保证两个进程的配合无间。

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;

PV操作便是通过这样的过程来协调几个需要同步的进程的。

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。

利用信号量和PV操作实现进程互斥的一般模型是:

进程A                            进程B

  ....                            ....

L: P(信号量)                     L2:V(信号量)

  ....                            ....

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){

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