操作系统 第3章 进程管理 PV操作专题
操作系统--PV操作
操作系统--PV操作操作系统PV 操作在操作系统中，PV 操作是一种非常重要的同步机制，用于解决进程之间的互斥和同步问题。
这一概念对于理解操作系统的工作原理以及优化多进程的协同工作至关重要。
让我们先来了解一下什么是进程。
进程可以简单理解为正在运行的程序的实例。
在一个操作系统中，通常会有多个进程同时运行，它们可能需要共享资源或者按照特定的顺序执行某些操作。
这时候，就需要一种有效的机制来协调它们，确保系统的正常运行，而 PV 操作就是这样一种机制。
P 操作和 V 操作是两个原语操作。
P 操作又称为 wait 操作，V 操作又称为 signal 操作。
先来说说 P 操作。
当一个进程执行 P 操作时，如果对应的资源可用（也就是信号量的值大于 0），那么它会顺利地获取资源，并将信号量的值减 1。
但如果信号量的值为 0，那么这个进程就会被阻塞，进入等待队列，直到其他进程释放资源，将信号量的值增加，它才有机会再次被唤醒并获取资源。
举个例子，假设有一个打印机资源，多个进程都可能需要使用它。
每个进程在使用打印机之前，都要执行 P 操作。
如果此时打印机空闲（信号量大于 0），进程就能顺利使用；如果打印机正在被其他进程使用（信号量为 0），那么当前进程就会被阻塞等待。
再来看 V 操作。
当一个进程执行 V 操作时，它会将信号量的值增加 1。
如果此时有进程正在等待这个资源（也就是在等待队列中），那么系统会从等待队列中唤醒一个进程，让它获取资源并继续执行。
还是以打印机为例，当一个进程使用完打印机后，它会执行 V 操作，释放打印机资源，使得信号量的值增加 1。
如果有其他进程正在等待打印机，那么其中一个等待进程就会被唤醒并获得使用打印机的机会。
PV 操作的应用场景非常广泛。
比如在生产者消费者问题中，生产者进程负责生产产品并放入缓冲区，消费者进程从缓冲区中取出产品进行消费。
为了保证缓冲区的正确使用，避免出现缓冲区满了生产者还在生产或者缓冲区空了消费者还在消费的情况，就需要使用 PV 操作来实现生产者和消费者之间的同步和互斥。
计算机操作系统pv操作
计算机操作系统pv操作1、引言1.1 定义PV操作，全称为P操作（原语操作）和V操作（原语操作），是计算机操作系统中用于实现进程间同步和互斥的重要机制之一。
P 操作用于请求访问临界资源，V操作用于释放临界资源。
1.2 目的本文档旨在提供关于计算机操作系统中PV操作的详细说明，进一步理解PV操作的概念、原理和使用方法，以及相关注意事项和最佳实践。
2、PV操作概述2.1 P操作P操作（Proberen操作）用于请求访问临界资源。
如果临界资源当前已被占用，则进程将被阻塞等待，直到获得资源访问权限。
2.2 V操作V操作（Verhogen操作）用于释放临界资源。
当进程完成对临界资源的访问后，应该及时释放资源，以便其他进程能够获得访问权限。
3、PV操作实现方式3.1 二进制信号量使用二进制信号量实现PV操作是最常见的方式之一。
二进制信号量只能取0或1两种值，用于表示资源的占用状态。
3.2 计数信号量计数信号量可以取多个非负整数值，用于表示资源的可用数量。
进程在请求资源时，如果信号量的值大于0，则减1并继续执行；若信号量值为0，则进程被阻塞等待。
3.3 互斥锁互斥锁是一种特殊的PV操作实现方式，用于实现进程对临界资源的互斥访问。
进程在访问临界资源前，需先获得互斥锁的所有权；在访问完成后，应释放互斥锁。
4、PV操作的应用场景4.1 进程同步PV操作常用于实现进程之间的同步，确保共享资源的安全访问。
通过P操作和V操作的配对使用，可以实现进程的有序执行。
4.2 进程互斥PV操作也可用于实现进程之间的互斥访问，即确保同一时间只有一个进程可以访问共享资源。
使用互斥锁实现的PV操作能够有效避免资源竞争问题。
5、PV操作的注意事项5.1 死锁使用PV操作时，必须避免出现死锁的情况。
死锁是指系统中的多个进程互相等待对方所占有的资源，导致所有进程无法继续执行的情况。
5.2 优先级关系在使用PV操作时，进程的优先级关系可能会对同步和互斥的实现产生影响。
pv操作例题详细解释
pv操作例题详细解释摘要：一、前言二、PV操作的定义和基本概念1.进程和线程2.同步和互斥3.PV操作的定义三、PV操作的实现和应用1.信号量机制2.PV操作的实现3.PV操作在实际应用中的例子四、PV操作的注意事项1.避免死锁2.合理设置超时时间3.使用PV操作的局限性五、总结正文：一、前言PV操作是操作系统中进程同步和互斥的一种常用手段，通过对进程的执行进行控制，确保系统资源得到高效利用。
本文将详细解释PV操作的原理、实现和应用，并给出在使用PV操作时需要注意的事项。
二、PV操作的定义和基本概念1.进程和线程进程是计算机中程序执行的基本单位，是资源分配的独立单位。
线程是进程内部的一个执行流程，是调度的基本单位。
一个进程可以包含多个线程，线程之间共享进程的资源。
2.同步和互斥同步是指多个进程或线程在执行过程中，需要相互配合，使得它们能够顺序、有序地执行。
互斥是指在同一时间，只允许一个进程或线程访问某个共享资源。
3.PV操作的定义PV操作，即P操作（wait）和V操作（signal），是一种基于信号量的同步和互斥机制。
P操作会使得信号量值减一，如果信号量值为零，则进程或线程会进入等待状态；V操作会使得信号量值加一，如果有进程或线程在等待，则唤醒其中一个。
三、PV操作的实现和应用1.信号量机制信号量是操作系统中用于表示资源数量或状态的变量。
信号量有两种类型：二进制信号量（只有0和1两个值，用于实现互斥锁）和计数信号量（可以有大于1的值，用于表示可重入锁）。
2.PV操作的实现P操作可以通过执行wait函数实现，V操作可以通过执行signal函数实现。
wait函数会使信号量值减一，如果信号量值为零，则阻塞调用进程或线程；signal函数会使信号量值加一，如果有进程或线程在阻塞状态，则唤醒其中一个。
3.PV操作在实际应用中的例子PV操作在实际应用中广泛用于实现各种同步和互斥机制，例如生产者-消费者问题、互斥锁、条件变量等。
操作系统-PV操作
未来研究方向和挑战
01
随着云计算、大数据和人工智能等技术的快速发展，操作系统中的并发和并行 处理需求越来越高，PV操作在解决并发和并行处理中的问题也面临着新的挑战 。
02
未来的研究需要进一步探索PV操作在新型计算环境中的应用，例如在分布式系 统、物联网、边缘计算等领域中，PV操作的应用和优化具有重要的研究价值。
详细描述
生产者消费者问题描述了一个共享缓冲区的场景，其中生产者产生数据放入缓冲区，消费者从缓冲区取出数据进 行处理。为了防止缓冲区溢出和数据饥饿，需要使用PV操作来控制对缓冲区的访问。
读者写者问题
总结词
读者写者问题是生产者消费者问题的 变种，主要解决多个读者共享数据和 单个写者修改数据时的同步问题。
03
同时，随着系统规模的扩大和复杂度的增加，PV操作的管理和维护也变得越来 越困难，如何有效地管理和维护PV操作也是未来的重要研究方向之一。
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操作系统-pv操作
目 录
• 引言 • PV操作原理 • PV操作实现 • PV操作的应用 • 总结与展望
01 引言
操作系统简介
操作系统是计算机系统的核心软件， 负责管理计算机硬件和应用程序的资 源分配、调度和监控。
操作系统的主要功能包括进程管理、 内存管理、文件管理和设备管理。
PV操作的基本概念
饥饿问题
饥饿问题是当一个或多个进程长期得不到足够的资源，导致其无法正常执行的情况。为避免饥饿问题 ，可以采用一些调度算法，如先来先服务、最短作业优先等，确保每个进程都能获得足够的资源。
04 PV操作的应用
生产者消费者问题
总结词
生产者消费者问题是操作系统中经典的并发循环执行
pv操作大题解题思路
pv操作大题解题思路PV操作是指进程同步的一种经典方法，用于解决进程之间的互斥和同步问题。
在解题时，可以按照以下思路进行分析和回答：1. 什么是PV操作？PV操作是指通过对信号量进行P（Proberen）和V（Verhogen）操作来实现进程同步。
P操作用于申请资源，如果资源不可用，则进程进入等待状态；V操作用于释放资源，让等待的进程得以继续执行。
2. PV操作的作用是什么？PV操作用于解决进程之间的互斥和同步问题。
互斥是指同一时间只允许一个进程访问临界资源，而同步是指进程之间按照一定的顺序执行，避免出现竞态条件和死锁等问题。
3. PV操作的原理是什么？PV操作基于信号量（Semaphore）的概念。
信号量是一个计数器，用于控制对共享资源的访问。
P操作会将信号量的值减1，如果结果小于0，则进程进入等待状态；V操作会将信号量的值加1，如果结果小于等于0，则唤醒等待的进程。
4. PV操作的应用场景有哪些？PV操作常用于解决生产者-消费者问题、读者-写者问题、哲学家就餐问题等。
在这些场景中，通过合理使用PV操作可以实现进程之间的协调与同步，避免资源竞争和死锁。
5. PV操作有哪些特点和优势？PV操作具有以下特点和优势：互斥性，PV操作可以确保同一时间只有一个进程访问共享资源，避免数据的不一致性。
同步性，PV操作可以按照一定的顺序执行进程，避免竞态条件和死锁。
简单高效，PV操作是一种经典的进程同步方法，实现简单，高效可靠。
适用性广泛，PV操作可以应用于各种并发场景，解决不同类型的进程同步问题。
总结：PV操作是一种经典的进程同步方法，通过对信号量进行P和V 操作来实现互斥和同步。
它的应用场景广泛，可以解决生产者-消费者问题、读者-写者问题等。
PV操作具有互斥性、同步性、简单高效和适用性广泛等特点和优势。
在解题时，可以根据具体的问题场景，灵活运用PV操作，保证进程之间的协调与同步。
pv操作例题详细解释
pv操作例题详细解释摘要：一、前言二、PV 操作的定义和基本概念1.进程和线程2.同步和互斥3.PV 操作的引入三、PV 操作的实现和原理1.信号量机制2.PV 操作的两种形式a.P 操作b.V 操作3.PV 操作的执行过程四、PV 操作在实际应用中的案例1.生产者- 消费者问题2.互斥锁的实现3.条件变量与等待队列五、PV 操作在多线程编程中的重要性六、总结正文：一、前言随着计算机技术的发展，多线程编程已经成为了软件开发中的重要部分。
在多线程编程中，如何实现进程和线程之间的同步和互斥，保证系统的稳定性和正确性，成为了关键问题。
PV 操作，作为操作系统中提供的一种同步和互斥机制，能够有效地解决这些问题。
本文将对PV 操作进行详细解释，以帮助读者更好地理解和应用PV 操作。
二、PV 操作的定义和基本概念1.进程和线程进程是计算机中程序执行的基本单位，它拥有独立的内存空间和系统资源。
线程是进程内部的一个执行流程，多个线程可以共享进程的内存空间和系统资源。
2.同步和互斥同步是指多个线程在执行过程中，需要等待某个条件满足后才能继续执行。
互斥是指在同一时刻，只允许一个线程访问某个共享资源。
3.PV 操作的引入为了实现进程和线程之间的同步和互斥，操作系统引入了PV 操作。
PV 操作通过信号量机制实现，可以控制多个线程对共享资源的访问，从而保证系统的稳定性和正确性。
三、PV 操作的实现和原理1.信号量机制信号量是操作系统中用于表示资源数量和状态的一种数据结构。
信号量有两个操作：P 操作和V 操作。
P 操作用于减小信号量，如果信号量为0，则线程需要等待；V 操作用于增大信号量，如果有线程在等待，则唤醒其中一个线程。
2.PV 操作的两种形式a.P 操作P 操作用于减小信号量，即对信号量执行P 操作后，信号量的值加1。
如果信号量的值为0，表示没有资源可用，线程需要等待。
b.V 操作V 操作用于增大信号量，即对信号量执行V 操作后，信号量的值减1。
操作系统关于PV操作
1.读写操作1、、设有一台计算机，有两条I/O通道，分别接一台卡片输入机和一台打印机。
卡片机把一叠卡片逐一输入到缓冲区B1中，加工处理后在搬到缓冲区B2中，并在打印机上印出，问：①系统要设几个进程来完成这个任务？各自的工作是什么？②这些进程间有什么样的相互制约关系？③用P、V操作写出这些进程的同步算法。
①系统可设三个进程来完成这个任务：R进程负责从卡片输入机上读入卡片信息，输入到缓冲区B1中；C进程负责从缓冲区B1中取出信息，进行加工处理，之后将结果送到缓冲区B2中；P进程负责从缓冲区B2中取出信息，并在打印机上印出。
②R进程受C进程影响，B1放满信息后R进程要等待——等C进程将其中信息全部取走，才能继续读入信息；C进程受R进程和P进程的约束：B1中信息放满后C进程才可从中取出它们，且B2被取空后C进程才可将加工结果送入其中；P进程受C进程的约束：B2中信息放满后P进程才可从中取出它们,进行打印。
③信号量含义及初值：B1full——缓冲区B1满，初值为0；B1empty——缓冲区B1空，初值为0；B2full——缓冲区B2满，初值为0；B2empty——缓冲区B2空，初值为0；R进程C进程P进程B1B22、用P.V操作处理生产者和消费者问题如下：mutex初值为1；empty初值为n；full初值为0生产者消费者L1：生产产品 L2：P（full）P（empty） P（mutex）P（mutex）取出产品产品装入缓冲区 V（empty）V（full） V（mutex）V（mutex） GOTO L2GOTO L1（1）信号量mutex,empty,full的作用是什么？（2）为什么P操作的顺序不能调换？（1）mutex起互斥作用，empty与full为同步作用。
（2）假设进程处于如下运行状态：缓冲区暂时无进程申请，故mutex＝1。
缓冲区无空单元，即empty＝0，此时生产者进程要放产品，若P（empty）与P（mutex）位置颠倒，先执行P（mutex），顺利通过，再执行P（empty），被阻塞，且该进程不会释放临界区资源，使消费者进程无法进入缓冲区，就不能取走产品，最终导致死锁3、设公共汽车上，司机、售票员的活动分别是：司机售票员启动车辆上乘客正常行车关车门到站停车售票开车门下乘客假设售票员关车门后司机才可启动车辆，到站停车后售票员方可开车门，在汽车不断到站、停车、行驶过程中，这两个活动有什么同步关系？用P.V操作实现它们的同步。
进程_PV操作
7
主要内容：
1. 进程 2. 同步与互斥 3. PV操作与典型问题
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PV操作
1. 信号量的含义 2. 信号量的物理意义 3. 如何用信号量实现同步与互斥
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PV操作
1. 记录型信号量
type semaphore=record value:integer； L:list of process；
资源数目
32
哲学家进餐问题--只允许4个同时进餐(6/6)
Var Sm:semaphore := 4； Var chopstick: array[0, …,4] of semaphore； repeat wait(Sm); wait(chopstick[i]); wait(chopstick[(i+1)mod5]); eat; signal(chopstick[(i+1)mod5]); signal(chopstick[i]); signal(Sm); think; until false;
end
end
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PV操作实现同步与互斥
1. 用P、V操作实现进程同步 （1）分析每个进程的执行条件和释放条件， 针对每个执行条件设置一个信号量，其初值 根据初始情况确定。 （2）对每个进程做如下处理： ①在请求条件出执行P（执行条件信号量） ②在释放条件处执行V（释放条件信号量）
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PV操作实现同步与互斥
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主要内容：
1. 进程 2. 同步与互斥 3. PV操作与典型问题
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同步与互斥
1. 同步：多个相关进程在执行次序上的协调 如：单缓冲区 2. 互斥：在多道程序环境下，每次只允许一 个进程对临界资源进行访问 如：打印机
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同步与互斥
操作系统PV深度剖析PV操作的例题
操作系统PV深度剖析PV操作的例题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。
计算机PV操作系统总结
计算机PV操作系统总结计算机PV操作系统总结一：概述1.1 引言在计算机系统中，操作系统是一种重要的软件组件，负责管理和协调计算机硬件与软件资源，提供用户和其他软件的接口，以实现计算机系统的正常运行和高效利用。
本文档总结了PV操作系统的基本原理、功能模块及其应用。
1.2 目的本文档旨在介绍PV操作系统的核心概念以及其在计算机系统中的作用，为开发人员和用户提供一个全面的参考。
二：PV操作系统的基本原理2.1 进程管理2.1.1 进程概念2.1.2 进程调度2.1.3 进程同步2.1.4 进程通信2.2 内存管理2.2.1 内存分配2.2.2 虚拟内存2.2.3 内存保护2.3 文件系统管理2.3.1 文件组织2.3.2 文件存储2.3.3 文件操作2.4 设备管理2.4.1 设备概念2.4.2 设备分配2.4.3 设备驱动三：PV操作系统的功能模块3.1 用户界面3.1.1 命令行界面3.1.2 图形用户界面3.2 系统调用接口3.2.1 系统调用类型3.2.2 系统调用的实现3.3 文件系统3.3.1 文件管理3.3.2 目录管理3.3.3 文件权限控制3.4 进程管理3.4.1 进程创建与撤销3.4.2 进程调度算法3.4.3 进程通信方式3.5 内存管理3.5.1 内存分配策略3.5.2 空间置换算法3.5.3 虚拟内存管理3.6 设备管理3.6.1 设备驱动程序3.6.2 设备分配策略3.6.3 设备中断处理四：PV操作系统的应用领域4.1 个人计算机4.2 服务器系统4.3 嵌入式系统4.4 移动设备附件：1. PV操作系统示例代码2. PV操作系统用户手册法律名词及注释：1. 版权：法律规定的对原创作品的独占权利。
2. 许可证：一种法律许可文件，允许使用者在符合某些条款和条件的情况下使用特定的软件或作品。
3. 用户协议：一种法律文件，规定了软件或服务的使用条款和条件，用户使用软件或服务前需要同意并接受这些条款和条件。
操作系统PV操作经典例题与答案
操作系统PV操作经典例题与答案1. 推广例子中的消息缓冲问题。
消息缓冲区为k个，有1个发送进程，n个接收进程，每个接收进程对发送来的消息都必须取一次若有m个发送进程呢？Send：SB=k; //信号量，标记当前空余缓冲区资源。
i = 0; //标记存放消息的缓冲区位置while (true) {P(SB);往Buffer [i]放消息;V(SM);i = (i+1) % k;};Receive：j = 0; //标记取产品的缓存区位置SM=0；//信号量，标记初始没有消息ReadCount=0；//读进程计数器Mutex =1；//读进程互斥信号量SW=0; //信号量，读进程在此信号量等待while (true) {P(SM);从Buffer[j]取消息;ReadCount++If（ReadCount<n）{< p="">V(SM);P(SW)}else{V(SB);j = (j+1) % k;for(int g=1; g< ReadCount;g++)V(SW);ReadCount=0；}};2.第二类读者写者问题：写者优先条件：1）多个读者可以同时进行读2）写者必须互斥（只允许一个写者写，也不能读者写者同时进行）3）写者优先于读者（一旦有写者，则后续读者必须等待，唤醒时优先考虑写者）rc=0, //正在读者计数器wc, //写计数器rw, //读等计数器R //等待读信号量W //等待写信号量读者：while (true) {P(mutex);if (wc >0){rw++P (R);}rc++;If（rw>0&&wc=0）{V(R)rw--}V(mutex);读P(mutex);rc --;if (rc==0){If（wc>0）V(w)}V(mutex);};写者：while (true) {P(mutex);wc ++;if((wc >1)||(rc>0)){P(W)}V(mutex);写P(mutex);Wc --;if（wc>0）V(W);Else if(rw>0)V(R)rw--V(mutex);};3.理发师睡觉问题理发店里有一位理发师，一把理发椅和N把供等候理发的顾客坐的椅子如果没有顾客,则理发师便在理发椅上睡觉。
操作系统 第3章 进程管理 PV操作专题
例4：桌上有一只盘子，最多可以容纳M 只水果，每次只能放入或取出一个水果。爸爸 专向盘子中放苹果（Apple），妈妈专向盘子 中放桔子（Orange），两个儿子专等吃盘子中 的桔子，两个女儿专等吃盘子中的苹果。用P、 V操作来实现爸爸、妈妈、儿子、女儿之间的 同步与互斥关系。
解答：设信号量place、apple、 orange 和mutex分别表示盘子里能放水果的数目、盘 子里已放入的苹果数目和盘子里已放入的桔子 的数目和对盘子的互斥访问，其初值分别为m、 0、0和1，其同步与互斥关系描述如下： int place=m; int apple=0; int orange=0; int mutex=1;
解法1： （1）因阅览室有100个座位可容纳100个读 者同时阅读，基于这种并行性，因此可为每一 个读者设立一个进程。因为任何读者进出阅览 室都做相同的工作（登记阅读和取消登记）。 所以对于100个读者进程可以共同对应一个程 序。此程序功能是入室时查表登记，入室阅读 和离室时查表取消登记。
（2）设置信号量（S位）来表示空座位个 数，初值为100，用来控制进入阅览室的读者 进程个数不超过100。 设置信号量（S表）来 表示被共享的登记表这一临界资源。初值为1， 用来防止两个以上读者进程同时查表。 每个进程和其他进程之间的同步关系如下：
monkeygroup2( ) { while(1) {P(m2mutex); if m2count=0 then P(waymutex); m2count=m2count+1; V(m2mutex) …… P(m2mutex); m2count=m2count-1; if m2count=0 then V(waymutex); V(m2mutex) } }
int empty1=m; int empty2=n; int full1=0; int full2=0; int mutex1=1; int mutex2=1; main() { PA(); PB(); PC(); }
计算机操作系统PV操作
操作系统支持
进程管理
创建、终止、挂起和恢复进程，管理进程的内存空间和资源。
信号机制
用于进程间通信和进程控制，如发送信号、处理信号等。
文件系统
提供文件和目录的管理功能，支持文件的读写操作。
用户态和内核态的实现方式
用户态实现
内核态实现
用户程序通过系统调用接口进入 内核态，执行PV操作。系统调用 接口提供了一组系统调用函数， 如`semwait()`和`sempost()`。
操作系统内核负责实现PV操作的 具体逻辑。当用户程序调用系统 调用函数时，内核会处理请求并 执行相应的操作，如信号量的增 减、进程的阻塞和唤醒等。
上下文切换
在用户态和内核态之间切换时， 需要进行上下文切换。上下文切 换涉及到处理器状态的保存和恢 复，以及内存空间的切换。在PV 操作过程中，上下文切换可能会 频繁发生。
操作系统的主要功能包括资源管理、 系统监控、用户界面等，是计算机系 统中不可或缺的重要组成部分。
操作系统的功能
资源管理
操作系统负责分配和管理计算机 系统中的各种资源，如CPU、内 存、磁盘空间、网络等，确保系 统资源的合理利用和高效分配。
系统监控
操作系统负责监控系统的运行状 态，包括硬件和软件的运行情况 、系统性能等，以便及时发现和 解决问题。
03
如果此时存在等待该资源的进程，则其中一个会被 唤醒并执行相应的操作。
04
PV操作的实现
硬件支持
内存管理单元（MMU）
提供内存地址映射和转换功能，实现进程间的 地址空间隔离。
中断和异常机制
用于处理异步事件，如I/O操作完成或进程状态 变更。
处理器状态保存
在进程切换时保存和恢复处理器状态，包括寄存器值和执行模式。
计算机操作系统pv操作
• • • • • • •
写者： PROCESS Writerj begin P(S); write file F; V(S); end;
• 问题：对共享变量rs访问的程序段也是临界区。
课后练习
• 24有一阅览室，读者进入时必须先在一张登记表上进
行登记。该表为每一作为列出了一个表目，包括座 号，姓名。读者离开时要撤销登记信息。阅览室有 100个作为，试问： • (1)为描述读者的动作，应编写几个程序，应该设置 几个进程？进程和程序之间的对应关系如何？ • （2)试用P,V操作描述这些进程之间的同步算法。
• • • • • •
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PROCESS Pi begin L1: produce a product; P(SP); P(S1); B[k] := product; k := (k + 1) mod n; V(S1); V(SG); goto L1 end
例2：飞机航班有N个售票处，每个售票处通过 终端访问系统的公共数据区。
• 售票处1 • begin 售票处2 begin 从数据单元中取出现 有余票； 做减1操作； 把结果送回到数据单元 end;
•
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从数据单元中取出现
有余票； 做减1操作； 把结果送回到数据单元
• end;
• • • • • • • • • •
PROCESS Cj begin L2: P(SG); P(S2); take a product from B[t]; t := (t + 1) mod n; V(S2); V(SP); consume; goto L1 end
生产者分别向 缓冲区送产品， 由S1控制互 斥访问。 消费者分别从 缓冲区中取出 产品，由S2 控制互斥访问
PV操作
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,…)
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）；
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）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。
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；
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。
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。
操作系统pv操作
2.3 进程同步
4. 同步机制应遵循的规则
空闲让进 忙则等待 有限等待 让权等待 2.3.2 信号量机制
1965年荷兰Dijkstra提出的进程同步工具
2.3 进程同步
1. 整型信号量
整型量，除初始化外，仅能通过两个原子操作来访 问。 P操作wait(S): While S<=0 do no-op; S:=S-1; V操作signal(S): S:=S+1;
2.3 进程同步
Producer: Consumer: repeat repeat … while counter= 0 produce an item do no-op; 重复的测 in nextp; nextc:=buffer[out]; 试条件 … out:=out+1 mod n; while counter= n counter:=counter-1; 空操作指令 consumer the item do no-op; buffer[in]:=nextp; in nextc; in:=in+1 mod n; until false; counter:=counter+1; until false;
2.3 进程同步
初始值为0，放入产品 生产者进程和消费者进程共享的变量： 使其加1，取出产品使 Var n, integer; 其减1
type item=……; var buffer: array[0, 1, …, n-1] of item; in, out: 0, 1, …, n-1; 用数组表示 counter:0, 1, …, n; 具有n个缓冲
2.3 进程同步
进程同步的主要任务：使并发执行的诸进程之 间能有效地共享资源和相互合作，从而使程序的 执行具有可再现性。
计算机操作系统pv操作
引言概述计算机操作系统中的PV操作是进程同步和互斥的重要手段，用于解决多个进程共享资源时可能引发的竞争条件和死锁问题。
PV操作是通过对进程间的信号量进行操作来实现的。
本文将详细介绍PV 操作的定义、原理和应用场景，并通过分析五个大点来深入探讨PV 操作的实现和特性。
正文内容一、PV操作的定义和原理1.PV操作简介：PV操作是一种用于进程间同步和互斥的机制，主要包括两个操作——P操作（等待）和V操作（发出信号）。
2.P操作原理：进程执行P操作时，会判断信号量的值是否大于0，若大于0则将其减一；若等于0则进程被阻塞，等待信号量的值大于0。
3.V操作原理：进程执行V操作时，会将信号量的值加一；如果有阻塞的进程，会唤醒其中一个进程。
4.PV操作的互斥性：PV操作可以实现进程对共享资源的互斥保护，即只允许一个进程访问资源。
5.PV操作的同步性：PV操作可以实现进程之间的同步，即某个进程需要等待其他进程执行完相应操作后再进行操作。
二、PV操作的应用场景1.生产者消费者问题：通过使用信号量来解决生产者和消费者之间的同步和互斥问题，确保生产者和消费者能够正确地访问共享缓冲区。
2.读者写者问题：通过使用信号量来解决多个读者和一个写者之间的同步和互斥问题，确保读者和写者能够正确地访问共享资源。
3.互斥访问共享资源：通过使用信号量来保证多个进程对共享资源的互斥访问，防止竞争条件的发生。
4.进程间的消息传递：通过使用信号量来实现进程间的同步和消息传递，确保消息的正确发送和接收。
5.进程的顺序执行：通过使用信号量来控制进程的执行顺序，确保某些进程按照特定的顺序执行。
三、PV操作的实现方式1.信号量的定义和初始化：在操作系统中，信号量是由一个整数值和一个相关的进程等待队列组成。
需要在创建信号量时对其进行初始化。
2.P操作的实现：P操作需要对信号量的值进行判断，若大于0则执行减一操作；若等于0则将进程加入等待队列，进入阻塞状态。
操作系统pv操作
引言概述：正文内容：一、概念介绍1.pv操作的定义及由来：pv操作是一种用于进程间同步和互斥的操作，其中p表示“pass”（等待）操作，v表示“vacate”（释放）操作。
它最早由Dijkstra在1965年提出，并被广泛应用于操作系统中的进程间通信。
2.信号量的概念及与pv操作的关系：信号量是一种计数器，用于同步和互斥。
pv操作是通过操作信号量来实现进程间的同步与互斥，其中p操作用于申请资源时的等待，v操作用于释放资源。
3.pv操作的作用：pv操作允许进程进行同步和互斥操作，保证资源的正确访问顺序，避免竞态条件和死锁问题。
二、pv操作的使用场景1.生产者消费者问题：在多线程或多进程环境下，生产者和消费者之间的数据通信和同步是一个常见的问题。
pv操作可以用来同步生产者和消费者的操作，确保生产者和消费者的操作顺序正确。
2.进程间互斥访问共享资源：当多个进程需要同时访问某个共享资源时，需要使用pv操作来进行互斥操作，避免多个进程同时访问导致数据不一致的问题。
3.进程间信号通知：pv操作也可以用于进程间的信号通知，例如一个进程等待某个事件的触发，另一个进程通过v操作来触发该事件。
4.进程管道通信：pv操作也可以用于进程之间通过管道进行通信，通过p操作来等待管道中有数据可读，通过v操作来通知管道中有新数据写入。
5.进程调度和同步：操作系统中的进程调度和同步往往需要使用pv操作来保证进程的正确执行顺序和互斥性。
三、pv操作的实现原理与方法1.pv操作的实现原理：pv操作的实现通常依赖于操作系统中的信号量机制。
当一个进程进行p操作时，它会尝试将指定的信号量值减1，若结果为负，则表示资源不可用，该进程会被阻塞。
当一个进程进行v操作时，它会将指定的信号量值加1，并唤醒一个等待中的进程。
2.pv操作的实现方法：pv操作可以通过系统调用来进行实现，例如在Unixlike系统中，可以使用semop()系统调用来进行pv操作。
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PC( ) { while(1) { P(full2); 从缓冲池2中取出一件产品； V(empty2); } }
例7：两个山崖间有一根铁索，山崖两边 各有一群猴子，任何时候同时只能有一个方向 的猴子通过铁索。使用P、V操作写出山崖两边 的猴子过铁索的算法。
解答：一个山上的猴子就是一群读者， 第二个山上的猴子为另一群读者，两群读者 互斥使用铁索。设信号量waymutex表示山两边 的猴子对铁索的互斥共享，初值为1；设 m1count和m2count表示对两边猴子的记数，其 初值为0；设m1mutex 和m2mutex表示两群猴子 中各猴子互斥访问记数变量的信号量，初值都 为1，其同步与互斥的算法如下：
解法1： （1）因阅览室有100个座位可容纳100个读 者同时阅读，基于这种并行性，因此可为每一 个读者设立一个进程。因为任何读者进出阅览 室都做相同的工作（登记阅读和取消登记）。 所以对于100个读者进程可以共同对应一个程 序。此程序功能是入室时查表登记，入室阅读 和离室时查表取消登记。
（2）设置信号量（S位）来表示空座位个 数，初值为100，用来控制进入阅览室的读者 进程个数不超过100。 设置信号量（S表）来 表示被共享的登记表这一临界资源。初值为1， 用来防止两个以上读者进程同时查表。 每个进程和其他进程之间的同步关系如下：
son() { while(1) { p(apple); p(mutex) take apple; v(mutex); v(place); } }
daughter() { while(1) { p(orange); p(mutex) take orange; v(mutex); v(place); } }
A边进程( ) ｛到隧道口 P(SA) countA= countA+ 1 if (countA==1) P(mutex) V(SA) 进隧道 ．．．．．． 出隧道 P(SA) countA= countA－1 if (countA==0) V(mutex) V(SA) }
B边进程( ) ｛到隧道口 P(SB) countB= countB+ 1 if (countB==1) P(mutex) V(SB) 进隧道 ．．．．．． 出隧道 P(SB) countB= countB－1 if (countB==0) V(mutex) V(SB) }
更进一步的考虑：
当令一边有人等
待时，能否规定每边
能跟进的最多人
COBEGIN PROCESS PI(I=1，2，……) begin ； 进入售票厅； 购票； 退出； end； COEND (3)若欲购票者最多为n个人，写出信号量 可能的变化范围(最大值和最小值)。
解答： (1)定义一信号量S，初始值为20。 意义： S>0 S的值表示可继续进入售票厅的人数 S=0 表示售票厅中已有20名顾客(购票者) S<0 |S|的值为等待进入售票厅的人数 (2)上框为P(S),框为V(S) (3)S的最大值为20,S的最小值为20－n 注：信号量的符号可不同(如写成t)，但使用 时应一致(即上述的s全应改成t)。
例3.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，则厅外的购票者可立即进入，否则需在外 面等待。若把一个购票者看作一个进程，请回 答下列问题： (1)用PV操作管理这些并发进程时，应怎 样定义信号量，写出信号量的初值以及信号量 各种取值的含义。 (2)根据所定义的信号量，把应执行的PV 操作填入下述方框中，以保证进程能够正确地 并发执行。
例2：思考题
西
东
★
☆☆☆
过隧道的问题
mutex B SB SA A
思想： 每边的第一个进程抢互斥信号灯，后边的进 程跟进; 每边的最后一个进程释放互斥信号灯。 问题：要计数，而且计数时应互斥；
程序描述 : main( ) { mutex=1 /*互斥信号灯 SB=1； /*B边计数互斥信号灯 SA=1； /*A边计数互斥信号灯 countA= 0； countB= 0； cobegin while (A边还有人) { A进程( ) }； while (B边还有人) { B进程( ) }； coend }
PB( ) {while(1) { p(full1); p(mutex1); 从缓冲区1中读出一个文件记录； v(mutex1); v(empty1); p(empty2); p(mutex2); 将一个记录读入缓冲区2； v(mutex2)； v(full2); } }
PC( ) {while(1) { p(full2); p(mutex2); 从缓冲池2读出一个文件记录打印； v(mutex2); v(empty2); } }
main( ) { cobegin PA( ); PB( ); PC( ); Coend }
PA( ) { while(1) { 生产一件产品； P(empty1); 将一件产品放入缓冲池1； V(full1); } }
PB( ) { while(1) { P(full1); 从缓冲池1中取出一件产品； V(empty1); P(empty2); 将一件产品放入缓冲池2； V(full2); } }
请写出输入进程、作业调度进程、作业处 理进程之间的同步算法。 提示： （1）输入进程与作业调度进程的同步算法 用P、V原语写出。 （2）作业调度进程与作业处理进程的同步 算法用消息缓冲通讯原语写出。
解答： （1）输入进程和调度进程要共享作业后备 队列（临界资源），因此设置一个后备队列公 有信号量S队，用于保证两个进程对队列的互 斥存取。其初值为1。另外，输入进程与调度 进程必须同步，因此设置一个调度进程私有信 号量S计，用于表示队列中JCB的个数，其初值 为0。
int empty1=m; int empty2=n; int full1=0; int full2=0; int mutex1=1; int mutex2=1; main() { PA(); PB(); PC(); }
PA( ) {while(1) { 从磁盘读出一个文件记录； p(empty1); p(mutex1); 将一个文件记录读入缓冲池1； v(mutex1); v(full1); } }
本课Байду номын сангаас内容
• • • • • • • 第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第8章 第9章 绪论 操作系统用户界面 进程管理 处理机调度 存储管理 文件系统 设备管理
例1： 有一个阅览室，读者进入时必须先 在一张登记表上进行登记，该表为每一座位列 一表目，包括座号和读者姓名，读者离开时， 要删掉登记的信息，阅览室共有100个座位， 试问： （1）为描写读者动作，应编写几个程序， 应设置几个进程？进程与程序间关系如何？ （2）试问P、V操作写出这些进程间的同步 算法。
解法2： （1）将读者入室查表登记和离室查表取消 登记各编一个程序，这样每个读者需设两个进 程，分别执行入室和离室程序。 （2）原设信号量S位为座位入室进程私有 信号量，增设离室进程私有信号量S人---入室 读者数，初值为0，这时进程间的同步关系如 下：
例2.设有一个作业流自动处理系统，其处 理过程是： （1）只要卡片机上有作业，作业输入进程 就把卡片机上的作业信息逐个地输入到后缓存 储器，并建立后备作业队列。 （2）当内存无作业运行时，作业调度进程 从后备作业队列中挑选一个作业，把该作业信 息从后缓存储器调入内存。 （3）作业处理进程负责处理已调入内存的 作业。
monkeygroup2( ) { while(1) {P(m2mutex); if m2count=0 then P(waymutex); m2count=m2count+1; V(m2mutex) …… P(m2mutex); m2count=m2count-1; if m2count=0 then V(waymutex); V(m2mutex) } }
（2）调度就能成先向处理进程“发信”， 请求处理作业，然后等待处理进程处理完毕的 回答。“等待回答”（“接收”）保证了处理 进程未处理完一个作业之前，调度进程不再调 度新作业。 处理进程首先要等待调度进程的 处理要求，（收信）才能进行作业处理。当作 业处理完毕后，处理进程应“发信”回答调度 进程，使之再调度下一作业。 它们之间的关系如下所示：
int int int
waymutex=1; m1mutex=1, m2mutex=1; m1count=0, m2count=0;
main( ) { cobegin monkeygroup1( ); monkeygroup2( ); coend }
monkeygroup1( ) { while(1) {P(m1mutex); if m1count=0 then P(waymutex); m1count=m1count+1; V(m1mutex) …… P(m1mutex); m1count=m1count-1; if m1count=0 then V(waymutex); V(m1mutex) } }
例5：三个进程PA、PB和PC协作解决文件 打印问题：PA将文件记录从磁盘读入主存的缓 冲区1，每执行一次读一个记录；PB将缓冲区1 的内容读出并读入到缓冲区2，每执行一次读 出并读入一个记录；PC将缓冲区2的内容打印 出来，每执行一次打印一个记录。缓冲区1的 大小和m个记录大小一样，缓冲区2的大小和n 个记录大小一样。请用P、V操作来保证文件的 正确打印。
例6：有三个进程A、B、C，其中A与B构成 一对生产者和消费者，共享一个由n个缓冲区 块组成的缓冲池1；B与C也构成一对生产者与 消费者，共享另一个由m个缓冲块组成的缓冲 池2。用P、V操作描述它们之间的同步关系。
解答： 设置四个信号量empty1、empty2、 full1和full2，其同步关系描述如下： int empty1=n; /*表示缓冲池1中的空缓冲 区数*/ int empty2=m; /*表示缓冲池2中的空缓冲 区数*/ int full1=0; /* 表示缓冲池1中装满产品 的缓冲区数*/ int full2=0; /* 表示缓冲池2中装满产品 的缓冲区数*/