关于PV操作
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S³0,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S³0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。
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。
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。
消费者进程 while(True){ P(full); 从Buffer取出一个产品; V(empty); 消费该产品; }
full——表示缓冲区中是否为满,初值为0。
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。
消费者进程 while(TRUE){ P(full); 从buffer(out)中取出产品; out=(out+1)mod n; V(empty); 消费该产品; }
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针,指向下一个可用的缓冲区。
生产者进程
生产一个产品;
P(empty);
产品送往buffer(in);
in=(in+1)mod n;
V(full);
}
(3)一组生产者,一组消费者,公用n个环形缓冲区
在这个问题中,不仅生产者与消费者之间要同步,而且各个生产者之间、各个消费者之间还必须互斥地访问缓冲区。
定义四个信号量:
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。
mutex1——生产者之间的互斥信号量,初值为1。
mutex2——消费者之间的互斥信号量,初值为1。
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针,指向下一个可用的缓冲区。
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1任务
(1)用PV操作实现多线程间同步互斥;
(2)显示一个服务线程(i)为某个客户线程(j)提供服务的服务线程号与客户线程号,当服务结束时,打印其返回值,并释放被服务完的客户线程,让等待客户线程使用,直到所有的客户线程都被得到服务;
(3)程序中可设置不同的服务线程(N)和客户线程(M)的个数。
2 程序设计
main() 中启动3个服务线程server ( 1-3 )和50个客户线程client( 1-50 ),client()中先用信号量Vacancy确保有某服务线程空闲,然后在该服务线程相应的a[i]中登记客户线程号,并置Ready[i]=1,等待服务结束后取出返回结果a[i].rv。Server(i)中先等待Ready[i] = 1,然后提供服务,最后将结果放入a[i].rv中。程序中的CCriticalSection::Lock()通常被称为P操作,而CCriticalSection::Unlock()被称为V操作。
2.1 功能设计
(1)用PV操作实现多线程间同步互斥;
(2)显示一个服务线程(i)为某个客户线程(j)提供服务的服务线程号与客户线程号,当服务结束时,打印其返回值,并释放被服务完的客户线程,让等待客户线程使用,直到所有的客户线程都被得到服务;
(3)通过命令行参数设置不同的服务线程(N)和客户线程(M)的个数。
为了看清某服务线程正在为哪个客户线程服务,特定义结构数组如下:
struct{
int flag; // flag=1: available, flag=o:busy
int clientno; // 客户线程号
int rv; // 给客户线程的返回值
} a[N];
并为其定义互斥信号量Mutex( 初始值1,最大值1 )。
为弄清是否还有空闲服务线程存在,特定义信号量Vacancy( 初始值N,最大值N)。
此外,为了同步客户线程和服务线程,定义信号量组:
Ready[N]( 初始值0,最大值1 )和Finish[N]( 初始值0,最大值1)。
2.2 程序
#i nclude“stdafx. h”
#i nclude <stdlib. h>
#i nclude <stdio. h>
#i nclude <process. h>
#i nclude“afxmt. h”
#define N 3 // N个服务线程
#define M 50 // M个客户线程
void client ( int );
void server( int serverno );
void tmain( int ,TCHAR **,TCHAR **);
typedef struct ClientControl {
int flag;