操作系统中P、V操作实现进程的同步与互斥
操作系统信号量与PV操作
操作系统信号量与PV操作操作系统中的信号量是一种并发控制机制，用于对进程间共享的资源进行同步和互斥操作。
PV操作（也称为P操作和V操作）是信号量的两个基本操作，用于实现对信号量的减操作和增操作。
下面将详细介绍信号量和PV操作的概念、原理和应用。
一、信号量的概念：信号量是一种用于进程间通信和同步的工具，通过对信号量的操作来实现对共享资源的控制。
信号量的初值为非负整数，可以看作是一个计数器。
信号量的值表示可用资源的数量，当值大于0时表示有可用资源，当值为0时表示没有可用资源，当值小于0时表示有进程等待资源。
二、PV操作的原理：PV操作是对信号量进行加减操作，具体含义如下：1. P操作（wait操作）：当进程需要使用一个资源时，首先执行P 操作。
P操作将信号量的值减1，如果值小于0，则进程被阻塞，等待资源的释放。
2. V操作（signal操作）：当进程使用完一个资源后，需要释放资源，此时执行V操作。
V操作将信号量的值加1，如果值小于等于0，则唤醒等待资源的进程。
三、应用场景：信号量和PV操作在许多操作系统中被广泛应用，常见的应用场景如下：1.进程同步：信号量用于控制多个进程的执行顺序和互斥访问共享资源，确保进程间的顺序执行和资源的正确访问。
例如多个进程需要按照一定的顺序执行，可以使用信号量控制进程的执行顺序；多个进程需要互斥地访问一些共享资源，可以使用信号量进行同步。
2.互斥锁：信号量可以用于实现互斥锁，防止多个进程同时访问临界区。
通过将信号量初值设为1，并在进程需要访问临界区时执行P操作，实现对临界区的互斥访问。
3.生产者-消费者问题：信号量可以用于解决生产者-消费者问题，其中生产者和消费者共享一个有限大小的缓冲区。
通过定义两个信号量，一个表示空缓冲区的数量，一个表示满缓冲区的数量，可以实现生产者和消费者的同步和互斥访问。
4.读者-写者问题：信号量可以用于解决读者-写者问题，其中多个读者可以同时读取共享资源，但只有一个写者能够写入共享资源。
操作系统中P、V操作实现进程的同步与互斥
操作系统中P、V操作实现进程的同步与互斥常静【期刊名称】《电脑知识与技术》【年(卷),期】2012(000)030【摘要】操作系统是计算机科学与技术的专业基础课程，进程的同步与互斥问题是操作系统中的重要内容。
如何正确使用P、V操作实现进程的同步与互斥是防止死锁的重要手段，怎样判断进程是同步还是互斥问题，以及如何正确使用P、V操作防止进程死锁，该文通过具体的实例给出一种通用的解决模式。
% Operating system is the foundation courses of Computer Science and Technology, Process synchronism and exclusion problem is the important content of the operating system. How to properly use the P、V operation in process synchronism and ex⁃clusion is an important means to prevent deadlocks, How do we judge the process is synchronism or exclusion problem and how to use P, V operation preventing process Deadlock, This paper given in the mode of a universal solution By Specific examples.【总页数】5页(P7144-7147,7153)【作者】常静【作者单位】广东外语外贸大学南国商学院信息科学技术系，广东广州 510545【正文语种】中文【中图分类】TP393【相关文献】1.操作系统进程同步和互斥教学方法研究 [J], 罗娇敏2.操作系统中进程同步与互斥的实现 [J], 汤敏3.现代操作系统中并发进程互斥的实现 [J], 张健4.分布式操作系统中操作原语的应用——谈谈互斥与条件同步在P、V操作中的区别及如何运用P、V操作原语实行n个进程同步 [J], 肖汉奇5.操作系统中进程同步与互斥思政教学设计 [J], 王丽芳;武瑞娟;樊彩霞因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
pv操作题目 软考
PV操作在软考中的深入探讨1. 基本概念PV操作是用于进程同步的两种基本操作。
P操作通常表示为一个进程需要一个资源，而V操作表示释放一个资源。
这两种操作通常用于实现进程间的同步和互斥。
2. PV操作原理PV操作基于信号量机制。
信号量是一个整数值，通常用于表示资源的数量。
P操作会尝试获取资源，减少信号量的值；而V操作会释放资源，增加信号量的值。
如果P操作不能立即获得资源（即信号量为0），则该进程会被阻塞或等待，直到资源可用。
3. PV操作在进程同步中的应用PV操作在进程同步中有着广泛的应用。
例如，在生产者-消费者问题中，生产者用于生成数据，消费者用于消费数据。
通过PV操作，可以确保生产者在没有数据被消费之前不会继续生产，同时确保消费者在没有数据可供消费时不会继续消费。
4. PV操作和互斥量互斥量是一种特殊的信号量，其值只能为0和1。
当一个进程获得互斥量时，其他任何进程都无法获得该互斥量，直到第一个进程释放它。
这使得互斥量可以用于保护某些临界区域，以实现互斥访问。
PV操作和互斥量通常一起使用，以实现更复杂的同步问题。
5. PV操作的编程实现在大多数编程语言中，PV操作可以通过系统调用或库函数实现。
例如，在UNIX系统中，可以使用semop函数进行PV操作。
在实现PV操作时，需要注意避免死锁和饥饿等问题。
6. PV操作的复杂度分析PV操作的复杂度取决于所使用的算法和数据结构。
在一些算法中，例如二叉堆或斐波那契堆，PV操作的平均时间复杂度可以达到O(1)。
然而，在最坏的情况下，PV操作的复杂度可能会达到O(n)，其中n是信号量的值。
7. PV操作与信号量信号量是一种同步机制，用于控制多个进程对共享资源的访问。
PV操作是信号量机制中的基本操作，通过它们可以实现对共享资源的互斥访问和同步。
信号量通常用于保护临界区、实现进程间的同步和互斥等。
8. PV操作与死锁预防死锁是操作系统中的一个重要问题，它发生在两个或多个进程无限期地等待对方释放资源的情况。
计算机操作系统习题及答案(4)
第4章进程同步与通信1）选择题（1）在操作系统中，P、V操作是一种_D__。
A. 机器指令B. 系统调用命令C. 作业控制命令D. 低级进程通信原语（2）若信号量S的初值为2，当前值为-1，则表示有_B__等待进程。
A. 0个B. l个C. 2个D. 3个（3）在直接通信方式中，系统提供两条通信原语进行发送和接收，其中Send原语中参数应是_C_。
A. sender，messageB. sender，mailboxC. receiver，messageD. receiver，mailbox（4）下述那个选项不是管程的组成部分_A__。
A. 管程外过程调用管程内数据结构的说明B. 管程内对数据结构进行操作的一组过程C. 局部于管程的共享数据说明D. 对局部于管程的数据结构设置初值的语句（5）某通信方式通过共享存储区来实现，其属于_D__。
A. 消息通信B. 低级通信C. 管道通信D. 高级通信（6）用P、V操作管理临界区时，信号量的初值应定义为__C__。
A. -1B. 0C. 1D. 任意值（7）临界区是_B__。
A. 一个缓冲区B. 一段程序C. 一段共享数据区D. 一个互斥资源（8）信箱通信是一种_D__通信方式。
A. 直接通信B. 信号量C. 低级通信D. 间接通信（9）对于两个并发进程，设互斥信号量为mutex，若mutex=0则__A_。
A. 表示有一个进程进入临界区B. 表示没有进程进入临界区C. 表示有一个进程进入临界区，另一个进程等待进入D. 表示有两个进程进入临界区（10）对信号量S执行V操作后，下述选项正确的是_C__。
A. 当S小于等于0时唤醒一个阻塞进程B. 当S小于0时唤醒一个阻塞进程C. 当S小于等于0时唤醒一个就绪进程D. 当S小于0时唤醒一个就绪进程（11）在消息缓冲通信中，消息队列属于_A__资源。
A. 临界B. 共享C. 永久D. 可剥夺（12）在消息缓冲通信机制中，使用的临界资源是_D__。
电大操作系统 第2章教材习题解答
第2章进程管理“练习与思考”解答1．基本概念和术语进程、进程互斥、进程同步、临界资源、临界区、死锁进程是程序在并发环境中的执行过程。
进程互斥：各个进程彼此不知道对方的存在，逻辑上没有关系，由于竞争同一资源（如打印机、文件等）而发生相互制约。
进程同步：各个进程不知对方的名字，但通过对某些对象（如I/O缓冲区）的共同存取来协同完成一项任务。
临界资源：一次仅允许一个进程使用的资源。
临界区：在每个进程中访问临界资源的那段程序。
死锁是指在一个进程集合中的每个进程都在等待仅由该集合中的另一个进程才能引发的事件而无限期地僵持下去的局面。
2．基本原理和技术（1）在操作系统中为什么要引入进程概念？它与程序的区别和联系是什么？在操作系统中，由于多道程序并发执行时共享系统资源，共同决定这些资源的状态，因此系统中各程序在执行过程中就出现了相互制约的新关系，程序的执行出现“走走停停”的新状态。
这些都是在程序的动态过程中发生的。
用程序这个静态概念已不能如实反映程序并发执行过程中的这些特征。
为此，人们引入“进程”这一概念来描述程序动态执行过程的性质。
进程与程序的主要区别是：·进程是动态的；程序是静态的。
·进程有独立性，能并发执行；程序不能并发执行。
·二者无一一对应关系。
·进程异步运行，会相互制约；程序不具备此特征。
但进程与程序又有密切的联系：进程不能脱离具体程序而虚设，程序规定了相应进程所要完成的动作。
（2）进程的基本状态有哪几种？通常在操作系统中，进程至少要有三种基本状态。
这三种基本状态是：运行态、就绪态和阻塞态（或等待态）。
（3）用如图3-23所示的进程状态转换图能够说明有关处理机管理的大量内容。
试回答：①什么事件引起每次显著的状态变迁？②下述状态变迁因果关系能否发生？为什么？（A）2→1 （B）3→2 （C）4→1图3-23 进程状态转换图①就绪→运行：CPU空闲，就绪态进程被调度程序选中。
信号量与P、V操作--《操作系统》自学考试
信号量与P、V操作--《操作系统》⾃学考试信号量与P、V操作--《操作系统》⾃学考试关于《操作系统》书籍中第四章第三阶节信号量及P、V操作中对于课本中所讲概念不明⽩，在百度和博客上查资料后给出我⾃⼰的理解，供参考，如有错误请⼤佬帮忙指正。
书籍中的定义信号量：信号量是⼀种特殊的变量，它的表⾯形式上⼀个整形变量附加⼀个队列，且只能被P操作和V操作，P、V操作皆使⽤原语。
信号量与P、V操作的功能是实现进程之间的同步、互斥。
设信号量为S，S可以取不同的整数值，可以利⽤S的取值表⽰共享资源的使⽤情况，或⽤它表⽰协作进程间交换的信息。
P、V操作定义：P(S){S = S-1;//若S<0,将该进程状态设置为等待状态，然后将该进程的PCB插⼊相应的S信号量等待队列末尾，直到有其他进程在S上执⾏V操作为⽌}//-------------------------------V(S){S = S+1;//若S <= 0，释放在S信号队列中等待的⼀个进程，将其状态改变为就绪态，并将其插⼊就绪队列；然后，执⾏本操作的进程继续执⾏。
}案例进程间的互斥操作对于这样两个进程运⾏过程我们可以这样理解：⾸先两个进程是并⾏的，在第⼀⾏两个进程同时P操作时，只会有⼀个成功。
假设A进程成功操作，使得S-1，这时S等于0，A进程被允许进⼊临界区操作。
⽽B进程在进⾏P操作时S的值已经被变更为0，此时进程B执⾏P操作，S等于-1，B线程被设置为等待状态进⼊等待队列，不允许进⼊临界区。
在进程A执⾏完临界区操作后，执⾏V操作使得S+1，此时S等于0，且释放⼀个等待队列中的B进程插⼊就绪队列。
执⾏完后A进程继续运⾏。
B进程从就绪队列执⾏，进⼊临界区操作。
操作完毕后执⾏V操作使得S+1，此时S等于1。
执⾏完后B进程继续运⾏。
回顾整个过程，在初始竞争临界区资源时由于两个进程只有⼀个P操作能执⾏成功，便实现了⼀个进程使⽤临界资源，另⼀个等待信号。
《操作系统》判断题软件工程
1 采用多道程序设计的系统中，系统的程序道数越多，系统的效率就越高。
F2 实时系统中的作业周转时间有严格的限制。
F3 现代操作系统的两个基本特征是中断处理和系统资源共享。
T4 在一个系统中，有一台大型主机和苦于终端，所有终端通过网络与主机相连，终端仅能用于文字输入，主机则接收这些输入信息然后进行处理。
该系统是一个分布式系统。
F5 在分时系统中快速响应是必需的。
F6 分布式系统中消息传递的先于关系不具有传递性。
F7 在操作系统提供的大量服务中，最底层的服务是系统调用。
T8 中型计算机系统通常采用总线结构进行设备的数据交换。
F9 操作系统程序都是在核心态下才能运行。
F10 在分时系统中，响应时间≈时间片*用户数，因此为改善响应时间，常用的原则是使时间片越小越好。
F11 资源的利用率高和系统的工作效率高是一回事。
F12 数据库管理程序需要调用操作系统程序，操作系统程序的实现也需要数据库系统的支持。
F13 操作系统是系统软件中的一种，在进行系统安装时可以先安装其它软件，然后再装操作系统。
F14 与分时系统相比，实时操作系统对响应时间的紧迫性要求高的多。
F15 操作系统是计算机系统中必不可少的系统软件。
T16 多用户操作系统一定是具有多道功能的操作系统。
T17 多用户操作系统在单一硬件终端硬件支持下仍然可以工作。
T18 系统调用是操作系统与外界程序之间的接口，它属于核心程序。
在层次结构设计中，它最靠近硬件。
F19 分布式系统具有高可靠性和健壮性，就是因为采用了冗余技术。
T20 操作系统“生成”是可以按用户要求任意装配成各种应用核心。
F21 多用户操作系统离开了多终端硬件支持无法使用。
T22 具有多道功能的操作系统一定是多用户操作系统。
F23 PC机一个逻辑驱动器号能管理两个以上物理硬盘。
F24 由于现代操作系统提供了程序共享的功能，所以要求被共享的程序必须是可再入程序.T25 特权指令只能在管态下执行，而不能在目态下执行。
操作系统实验报告——进程同步与互斥
操作系统实验报告——进程同步与互斥一、实验内容本实验主要内容是通过编写程序来实现进程的同步与互斥。
具体来说，是通过使用信号量来实现不同进程之间的同步和互斥。
我们将编写两个进程，一个进程负责打印奇数，另一个进程负责打印偶数，两个进程交替打印，要求打印的数字从1开始，直到100结束。
二、实验原理进程的同步是指多个进程之间按照一定的顺序执行，进程之间互相等待的关系。
而进程的互斥是指多个进程竞争同一个资源，需要通过其中一种方式来避免同时访问共享资源，以免造成数据错乱。
在本实验中，我们使用信号量来实现进程的同步与互斥。
信号量是一个计数器，用于表示一些共享资源的可用数量。
进程在访问共享资源时，需要先对信号量进行操作，当信号量大于0时，表示资源可用，进程可以访问；当信号量等于0时，表示资源不可用，进程需要等待。
进程同步的实现可以通过信号量的P操作与V操作来完成。
P操作用于申请资源，当资源可用时，将计数器减一，并进入临界区；V操作用于释放资源，当资源使用完毕时，将计数器加一，使等待资源的进程能够申请。
进程互斥的实现可以通过信号量的P操作与V操作结合临界区来完成。
当多个进程需要访问共享资源时，需要先进行P操作，进入临界区，访问完毕后进行V操作，离开临界区。
三、实验步骤1.首先，我们需要创建两个进程，一个进程负责打印奇数，另一个进程负责打印偶数。
2. 然后，我们创建一个共享变量count，用来记录打印的数字。
3. 接着，我们创建两个信号量odd和even，用来控制进程的同步与互斥。
odd信号量初始值为1，表示打印奇数的进程可以访问；even信号量初始值为0，表示打印偶数的进程需要等待。
4.编写奇数打印进程的代码，首先进行P操作，判断奇数信号量是否大于0，如果大于0，表示可以打印奇数。
5. 如果可以打印奇数，将count加一，并输出当前的奇数，然后进行V操作，释放偶数打印进程的等待。
6.同样的，编写偶数打印进程的代码，首先进行P操作，判断偶数信号量是否大于0，如果大于0，表示可以打印偶数。
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操作系统中P、V操作实现进程的同步与互斥
作者：常静
来源：《电脑知识与技术》2012年第30期
摘要：操作系统是计算机科学与技术的专业基础课程，进程的同步与互斥问题是操作系统中的重要内容。
如何正确使用P、V操作实现进程的同步与互斥是防止死锁的重要手段，怎样判断进程是同步还是互斥问题，以及如何正确使用P、V操作防止进程死锁，该文通过具体的实例给出一种通用的解决模式。
关键词：进程同步；进程互斥；信号量；P、V操作
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2012）30-7144-04
操作系统中，可以使用软件和硬件方法解决临界区的问题，虽然它们都可以解决互斥问题，但是存在一定的缺陷。
于是计算机科学家们努力寻找其他更有效地方法。
荷兰著名的计算机科学家E.W.Dijkstra提出了一个信号量和P、V操作同步机构。
其基本原则是在多个相互合作的进程之间使用简单的信号来协调控制。
1 信号量的含义
信号量被定义为含有整型数据项的结构变量，其整型值大于等于零代表可供并发进程使用的资源个数，小于零时其绝对值表示正在等待使用临界资源的进程数。
其数据结构表示为：
2 P、V原语的含义
信号量的值可以修改，但只能由P和V操作来访问，对信号量的操作由P、V操作原语来实现。
P操作和V操作在执行时是不可中断的过程。
P操作P（s）
表示申请一个资源，将信号量s的整型值减去1，若结果小于0，则将调用P（s）的进程插入等待该资源的阻塞队列。
V操作V（s）
表示释放一个资源，将信号量s的整型值加上1，若结果不大于0，则从该资源的阻塞队列首部唤醒一个进程插入到就绪队列中。
P、V操作原语是一种阻塞等待的同步原语，若进程通过该原语的调用而不允许继续执行时，它将被阻塞或挂起，在此期间就没有机会获得CPU执行，直到它被唤醒为止。
故可使得进程在等待进入临界区时，将CPU让给了其他就绪进程执行。
而忙等待的临界区管理法，使得进程在等待进入临界区时，也和其他就绪进程一起分享CPU的服务。
3 P、V操作在进程同步中的意义
进程同步包括进程互斥和进程同步两个方面，进程互斥是同步的一种特例。
用P、V操作解决进程同步问题时首先要分清哪些是互斥问题（互斥访问临界资源的），哪些是同步问题（具有前后执行顺序要求的）。
在互斥问题中，P操作的意义是申请资源，是否能进入临界区；V操作的意义是退出临界区，从而释放资源；通常只设置一个互斥信号量，且初值为1，代表一次只允许一个进程对临界资源进行访问。
在同步问题中，P操作的意义是接受发来的信息、通知，表示可以执行；V 操作的意义是发送消息、通知，告知对方。
在设置同步信号量时，通常同步信号量的个数与参与同步的进程种类有关，即同步关系涉及几类进程，就有几个同步信号量。
同步信号量表示该进程是否可以开始或该进程是否已经结束。
在每个进程中用于实现互斥的P、V操作必须成对出现；用于实现同步的P、V操作也必须成对出现，但可以分别出现在不同的进程中；在某个进程中如果同时存在互斥与同步的操作，则其顺序不能颠倒，必须先执行对同步信号量的P操作，再执行对互斥信号量的P操作，但V操作的顺序没有严格要求。
4 实现P、V操作的具体做法
1）确定进程间的关系以及进程的个数。
这一环节非常重要，如果理解不准确，则之后的操作都将是错误的。
进程间的关系主要指是进程同步还是进程互斥，它决定了P、V操作在进程中存在的意义。
进程的个数主要看题目中需要P、V控制的事件有多少个，则进程个数就是几个。
2）信号量个数的设置，并给信号量赋初值。
一般情况下，在进程互斥中，信号量都为一个；在同步中，要根据进程间的同步关系来设置信号量的个数，有一个也可能是多个。
3）画出进程的工作流程图。
流程图时最好反映题意的一种方法，工作流程图越准确，最后的算法就越容易实现。
4）根据流程图使用一门语言来描述进程之间的关系。
这步主要是看个人的编程基础，用不同的语言实现都可以，最好是用自己掌握较好的一门语言。
下面就一些典型例子做分析，在分析中理解P、V操作在进程同步中的实际运用：
4.1 用PV原语实现进程的互斥
为了正确地解决一组并行进程对临界资源的竞争使用，可以引入一个互斥信号量，对于互斥使用的资源，其信号量的初值就是系统中这个资源的数量。
以哲学家进餐问题为例：
有四位哲学家围着一个圆桌在思考和进餐，每人思考时手中什么都不拿，当需要进餐时，每人需要用刀和叉各一把，餐桌上的布置如图1所示，共有两把刀和两把叉，每把刀或叉供相邻的两个人使用。
请用信号量及PV操作说明四位哲学家的同步过程。
1）确定进程的个数及其工作内容。
本例子涉及四个进程，每个哲学家为一个进程。
因相邻的两个哲学家要竞争刀或叉，刀或叉就成为了临界资源，所以属于互斥关系。
2）第二步确定互斥信号量的个数、含义及PV操作。
设置4个互斥信号量fork1，fork2，knife1，knife2，其初值均为“1”，分别表示叉1，叉2，刀1，刀2是可用的。
3）画工作流程图。
一般情况下，进程互斥问题的工作流程基本相同，所以只要画出其中一个进程的流程图即可。
4）根据流程图写出相应算法。
用类C语言描述互斥关系，互斥描述如下：
4.3用P、V原语实现进程的同步和互斥
有了上面的分析后，下面来考虑进程同步与互斥的混合问题就不难了。
混合问题当中关键就是协调同步操作和互斥操作的先后。
通过下面的例子来说明此问题：
设有一个具有N个信息元素的环形缓冲区，A进程顺序地把信息写进缓冲区，B进程依次地从缓冲区中读出信息，请用P、V操作表示A和B进程的同步算法。
1）确定进程间的关系。
A和B两个进程对缓冲区的访问必须互斥，并且当缓冲区满时，A进程不能写入，必须等待；当缓冲区空时，B进程不能读，必须等待。
所以这是一个同步加互斥的问题。
2）确定信号量及其值。
可以设置3个信号量：互斥信号量S=1（表示对缓冲区的互斥使用）；同步信号量Sw（代表缓冲区是否有空闲，即写进程能否写）、Sr（代表缓冲区是否有数据，即读进程能否读），假设初始时缓冲区没有任何数据，则Sw=N，Sr=0。
3）画出工作流程图，如图3所示。
4）根据流程图写出相应算法。
在此就不再详述。
5 总结
本文通过实例，对利用P、V操作实现进程互斥与同步给出了一个一般模型。
在具体实现时，只需要在模型中的P 操作和V操作间填入适当的实现代码，就可以很方便地实现进程的同步与互斥了，希望对学习者理解和解决这一难点问题有一定的帮助。
参考文献：
[1] 马海波，王德广.计算机操作系统教程[M].北京：清华大学出版社，2009.。