pv操作总结

为了在单处理机的情况下确定进程(process)能否占有处理机，狄克斯特拉将每个进程分为“就绪”(ready)、“运行”(running)和“阻塞”(blocking)三个工作状态。由于在任一时刻最多只有一个进程可以使用处理机，正占用着处理机的进程称为“运行”进程。当某进程已具备了使用处理机的条件，而当前又没有处理机供其使用，则使该进程处于“就绪”状态。当运行进程由于某种原因无法继续运行下去时，就停止其占用处理机，使之进入“阻塞”状态，待造成其退出运行的条件解除，再进入“就绪”状态。而对系统中所有同时运行的进程，在一个进程访问共享数据时，另一个进程不访问该数据）和互斥（mutually- exclusive，指两个进程不能同时在一个临界区中使用同一个可重复使用的资源，诸如读写缓冲区）两个关系，狄克斯特拉巧妙地利用火车运行控制系统中的“信号灯”(semaphore，或叫”信号量”)概念加以解决。
{
s.value=s.value-1;
if (s.value<0) asleep(s.queue);
}
procedure v(var s:samephore);
{
s.value=s.value+1;
if (s.value<=0) wakeup(s.queue);
}
其中用到两个标准过程：
asleep(s.queue);执行此操作的进程的PCB进入s.queue尾部，进程变成等待状态wakeup(s.queue);将s.queue头进程唤醒插入就绪队列
分析:第一步:确定进程间的关系.售票厅是各进程共享的公有资源,当售票厅中多于20名购票者时,厅外的购票者需要在外面等待.所以进程间是互斥的关系.第二步:确定信号量及其值.只有一个公有资源:售票厅,所以设置一个信号量s.售票厅最多容纳20个进程,即可用资源实体数为20,s的初值就设为20.
实现:begin
value: integer;
queue: ^PCB;
end;
其中PCB是进程控制块，是操作系统为每个进程建立的数据结构。
s.value>=0时，s.queue为空；
s.value<0时，s.value的绝对值为s.queue中等待进程的个数；
2．PV原语
对一个信号量变量可以进行两种原语操作：p操作和v操作，定义如下：procedure p(var s:samephore);
end;
process B
begin
L2:P(s);
拣白子;
V(s);
goto L2;
end;
coend;
end;
判断进程间是否互斥,关键是看进程间是否共享某一公有资源,一个公有资源与一个信号量相对应.确定信号量的值是一个关键点,它代表了可用资源实体数.如下实例:
例2某车站售票厅,任何时刻最多可容纳20名购票者进入,当售票厅中少于20名购票者时,厅外的购票者可立即进入,否则需要在外面等待.每个购票者可看成一个进程.
为了进一步加深理解，再引入二个问题：
四，如果是互斥信号量的话，应该设置信号量Sen=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？
确定信号量及其值.由于进程A和进程B要互斥进入箱子去拣棋子,箱子是两个进程的公有资源,所以设置一个信号量s,其值取决于公有资源的数目,由于箱子只有一个,s的初值就设为1.
实现:begin
s:semaphore;
s:=1;
cobegin
process A
begin
L1: P(s);
拣黑子;
V(s);
goto L1;
s.value初值为1时，可以用来实现进程的互斥。
p操作和v操作是不可中断的程序段，称为原语。如果将信号量看作共享变量，则pv操作为其临界区，多个进程不能同时执行，一般用硬件方法保证。一个信号量只能置一次初值，以后只能对之进行p操作或v操作。
由此也可以看到，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。
V原语的主要操作是：
（1）sem加1；
（2）若相加结果大于零，则进程继续执行；
（3）若相加结果小于或等于零，则唤醒一阻塞在该信号量上的进程，然后再返回原进程继续执行或转进程调度。
典型理解偏差：
一，以V原语的1、2步来做，Sem不就永远大于0，那进程不就一直循环执行成为死循环了？
二，Sem大于0那就表示有临界资源可供使用，为什么不唤醒进程？
五，Sem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？
析疑：四，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。五，当信号量Sem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。
三，Sem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？
析疑：一，P操作对sem减1的。P、V原语必须成对使用！从而不会造成死循环。二，Sem大于0的确表示有临界资源可供使用，而且这个时候没有进程被阻塞在这个资源上，也就是说没有进程因为得不到这类资源而阻塞，所以没有被阻塞的进程，自然不需要唤醒。三，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Sem加1，以通知其它的进程，这个时候如果Sem<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2个某类资源，三个进程A、B、C、D要用该类资源，最开始Sem=2，当A进入，Sem=1，当B进入Sem=0,表明该类资源刚好用完，当C进入时Sem=-1,表明有一个进程被阻塞了，D进入，Sem=-2。当A用完该类资源时，进行V操作，Sem=-1，释放该类资源，而这时Sem<0,表明有进程阻塞在该类资源上，于是唤醒一个。
三、PV原语的含义、实现进程的互斥和同步
PV原语的含义
P操作和V操作是不可中断的程序段,称为原语.PV原语及信号量的概念都是由荷兰科学家E.W.Dijkstra提出的.信号量sem是一整数,sem大于等于零时代表可供并发进程使用的资源实体数,但sem小于零时则表示正在等待使用临界区的进程数.
P原语操作的动作是:
所谓信号灯，实际上就是用来控制进程状态的一个代表某一资源的存储单元。例如，P1和P2是分别将数据送入缓冲B和从缓冲B读出数据的两个进程，为了防止这两个进程并发时产生错误，狄克斯特拉设计了一种同步机制叫“PV操作”，P操作和V操作是执行时不被打断的两个操作系统原语。执行P操作P（S）时信号量S的值减1，若结果不为负则P（S）执行完毕，否则执行P操作的进程暂停以等待释放。执行V操作V（S）时，S的值加1，若结果不大于0则释放一个因执行P（S）而等待的进程。对P1和P2可定义两个信号量S1和S2，初值分别为1和0。进程P1在向缓冲B送入数据前执行P操作P（S1），在送入数据后执行V操作V（S2）。进程P2在从缓冲B读取数据前先执行P操作P（S2），在读出数据后执行V操作V（S1）。当P1往缓冲B送入一数据后信号量S1之值变为0，在该数据读出后S1之值才又变为1，因此在前一数未读出前后一数不会送入，从而保证了P1和P2之间的同步。我国读者常常不明白这一同步机制为什么叫PV操作，原来这是狄克斯特拉用荷兰文定义的，因为在荷兰文中，通过叫passeren，释放叫vrijgeven，PV操作因此得名。这是在计算机术语中不是用英语表达的极少数的例子之一。
实现: begin
s1,s2:
process A
begin
L1: P(s1);
拣黑子;
V(s2);
goto L1;
end;
process B
begin
L2:P(s2);
拣白子;
V(s1);
一、PV操作知识
PV操作与信号灯的处理相关，P表示通过的意思，V表示释放的意思。
1962年，狄克斯特拉离开数学中心进入位于荷兰南部的艾恩德霍芬技术大学(Eindhoven Technical University)任数学教授。在这里，他参加了X8计算机的开发，设计与实现了具有多道程序运行能力的操作系统——THE Multiprogramming System。THE是艾恩德霍芬技术大学的荷兰文Tchnische Hoogeschool Eindhov–en的词头缩写。狄克斯特拉在THE这个系统中所提出的一系统方法和技术奠定了计算机现代操作系统的基础，尤其是关于多层体系结构，顺序进程之间的同步和互斥机制这样一些重要的思想和概念都是狄克斯特拉在THE中首先提出并为以后的操作系统如UNIX等所采用的。
PV操作对于每一个进程来说,都只能进行一次,而且必须成对使用.在PV原语执行期间不允许有中断的发生.
用PV原语实现进程的互斥
由于用于互斥的信号量sem与所有的并发进程有关,所以称之为公有信号量.公有信号量的值反映了公有资源的数量.只要把临界区置于P(sem)和V (sem)之间,即可实现进程间的互斥.就象火车中的每节车厢只有一个卫生间,该车厢的所有旅客共享这个公有资源:卫生间,所以旅客间必须互斥进入卫生间,只要把卫生间放在P(sem)和V(sem)之间,就可以到达互斥的效果.以下例子说明进程的互斥实现.
用PV原语实现进程的同步
与进程互斥不同,进程同步时的信号量只与制约进程及被制约进程有关而不是与整组并发进程有关,所以称该信号量为私有信号量.利用PV原语实现进程同步的方法是:首先判断进程间的关系为同步的,且为各并发进程设置私有信号量,然后为私有信号量赋初值,最后利用PV原语和私有信号量规定各进程的执行顺序.下面我们将例1增添一个条件,使其成为进程间是同步的.